TWI453091B - 研磨監視方法，研磨裝置及監視裝置 - Google Patents

研磨監視方法，研磨裝置及監視裝置 Download PDF

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TWI453091B
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Description

研磨監視方法，研磨裝置及監視裝置
本發明係關於在研磨期間監視形成於基板表面上之導電膜的厚度的變化之方法，而且關於研磨裝置及監視裝置。
研磨裝置廣泛用來研磨形成於晶圓表面上之諸如阻擋膜(barrier film)及互連金屬膜(interconnect metal film)等之導電膜。研磨結束點檢測以及研磨期間研磨條件之改變係根據導電膜的厚度而決定。因此，研磨裝置通常包含有用來在研磨期間檢測導電膜的厚度之膜厚檢測器(film-thickness detector)。此膜厚檢測器的典型例子為渦電流感測器(eddy current sensor)。此渦電流感測器係構成為將高頻的交流電流供給至線圈以在導電膜中感應生成渦電流，藉此而從感應生成的渦電流的磁場所造成的阻抗(impedance)的變化來檢測出導電膜的厚度。
第1圖係顯示用來說明渦電流感測器的原理之等效電路之圖。當交流電源3輸送高頻的交流電流I1 至線圈1，在線圈1中感應生成的磁力線會穿過導電膜。結果，感測器側電路與導電膜側電路之間發生互感(mutual inductance)，而有渦電流I2 在導電膜中流通。此渦電流I2 產生磁力線，此磁力線使得感測器側電路的阻抗發生變化。該渦電流感測器從感測器側電路的阻抗的變化來量測導電膜的厚度。
在第1圖中的感測器側電路與導電膜側電路中，以下 的方程式成立。
R1 I1 +L1 dI1 /dt+MdI2 /dt=E (1)
R2 I2 +L2 dI2 /dt+MdI1 /dt=O (2)
其中，M表示互感，R1 表示包含線圈1之感測器側電路的等效電阻，L1 表示包含線圈1之感測器側電路的自感(self inductance)，R2 表示相當於渦電流損耗(eddy current loss)之等效電阻，L2 表示渦電流在導電膜中流通時導電膜的自感。
令In =An ejω t (正弦波)，將以上的方程式(1)及(2)表示成以下的式子。
(R1 +jωL1 )I1 +jωMI2 =E (3)
(R2 +jωL2 )I2 +jωMI1 =O (4)
由此方程式(3)及(4)，推導出以下的方程式。
I1 =E(R2 +jωL2 )/[(R1 +jωL1 )(R2 +jωL2 )+ω2 M2 ]=E/[(R1 +jωL1 )+ω2 M2 /(R2 +jωL2 )] (5)
因此，感測器側電路的阻抗Φ可表示成以下的方程式。
Φ=E/I1 =[R1 +ω2 M2 R2 /(R2 2 +ω2 L2 2 )]+jω[L1 -ω2 L2 M2 /(R2 2 +ω2 L2 2 )] (6)
將阻抗Φ的實部(亦即電阻成分)及虛部(亦即感抗成分)分別以X及Y加以取代，得到以下的方程式。
(X-R1 )2 +[Y-ωL1 (1-k2 /2 )]2 =(ωL1 k2 /2)2 (7)
方程式(7)中的符號k表示耦合係數(coupling coefficient)，且以下的關係成立。
M=k(L1 L2 )1/2 (8)
第2圖係顯示在XY座標系上描繪隨著研磨時間而變化的X及Y所畫出的曲線圖之圖。第2圖中所示之座標系係由垂直軸之Y軸及水平軸之X軸所定義。點T∞之座標係膜厚為無限大(亦即R2 為零)時之X及Y的值。在基板的導電率可以忽略的情況，點T0之座標係膜厚為零(亦即R2 為無限大)時之X及Y的值。由X及Y的值所定出的點Tn，係隨著膜厚之減小而在弧(arc)上向著點T0移動。
第3圖係顯示將第2圖中的曲線圖逆時針旋轉90度並進一步將旋轉後的曲線圖加以平移所得到的曲線圖之圖。詳言之，使座標(X,Y)所定出的點在XY座標系上繞著原點O旋轉，然後進一步使旋轉後的座標移動以作成一個曲線圖，此曲線圖中原點O與座標(X,Y)所定出的點之間的距離係隨著膜厚之減小而減小。此外，亦可再對第3圖中的曲線圖進行進一步的處理，例如放大處理。雖然第3圖顯示將第2圖中的曲線圖逆時針旋轉90度的情況，但旋轉角度並不限於90度。例如，可調整旋轉角度，使得對應於所要監視的膜厚的上限之Y軸座標等於膜厚為零之點的Y軸座標。
如第3圖所示，依據X及Y之值而定位之點Tn係隨著膜厚之減小而在弧上向著點T0移動。移動過程中，只要點Tn不是位在靠近T∞之位置，XY座標系的原點O與點Tn之間的距離Z(=(x2 +y2 )1/2 )係隨著膜厚之減小而減小。因此，藉由監視距離Z，就可決定研磨期間膜厚的變化以及研磨結束點。第4圖顯示以縱軸為距離Z、橫軸為研磨時間而描點繪圖所作成的曲線圖。如這一個曲線圖所示，距離Z隨著研磨時間之經過而減小，然後在某一時點變為常數。因此，藉由檢測距離Z之這樣一個點，就可決定研磨結束點。
近來，引進了一種基板本身具有非常低的電阻率(比電阻)之所謂的低電阻基板。此低電阻基板具有大約為一般基板的千分之一之電阻率。具有低電阻的基板提供包含實現低電壓驅動(亦即使用相同的電壓可使較大的電流流通)以及實現低導通電阻(亦即可實現需要大電流之更廣的應用)等優點。
然而，低電阻基板具有與作為研磨對象的導電膜的表面電阻(sheet resistance)接近之表面電阻。此會對渦電流感測器的輸出訊號造成很大的影響。以下參照第5圖說明此一問題。第5圖係顯示研磨具有一般電阻率的基板(一般基板)上具有100nm厚度的鎢膜時渦電流感測器的輸出訊號的軌跡(locus)，同時顯示研磨低電阻基板上具有相同厚度的鎢膜時渦電流感測器的輸出訊號的軌跡之曲線圖。一般基板的表面電阻比鎢膜的表面電阻大很多。在此情況，大體上可忽略基板對於渦電流感測器的輸出訊號所造成的效果。因此，渦電流感測器的輸出訊號幾乎不受基板的表面電阻所影響，只要膜厚相同就可得到如同第5圖之輸出訊號。
另一方面，低電阻基板的表面電阻與鎢膜的表面電阻沒有很大的不同。在此情況，渦電流感測器的輸出訊號很可能受低電阻基板所影響。結果，如第5圖所示，與使用一般基板的情況相比，渦電流感測器的輸出訊號的軌跡大幅向大厚度側移動。而且，由於低電阻基板間的電阻率的微小差異之故，即使是研磨相同厚度的鎢膜時，渦電流感測器的輸出訊號的軌跡也可能如第5圖所示般變化。
即使在此渦電流感測器的輸出訊號的軌跡會移動之情況，也可檢測研磨結束點，因為前面提到的那一個點也會移動，如第6圖所示。然而，輸出訊號之此種移動會在停止研磨時或在到達預定的目標厚度之時點改變研磨條件時產生問題。這是因為渦電流感測器的輸出訊號的值與膜厚之間的關係改變了的緣故。這會使得研磨時間的檢測發生誤差。
此外，一般基板與低電阻基板之間存在有在表示膜厚變化之距離Z的變化程度上的差異。詳言之，如第7及第8圖所示，在一般基板，膜厚變化時，距離Z1會大幅變化。另一方面，在低電阻基板，膜厚變化時，距離Z2並不會大幅變化。此種距離Z上的小變化會造成訊噪比的惡化。結果，會使研磨結束點及研磨條件改變點的檢測精度降低。
另外，渦電流感測器具有其輸出訊號會隨著其與作為檢測標的之導電膜的距離而變化之特性。所以，當渦電流感測器與基板間的距離因為研磨墊等的磨耗而改變時，即便導電膜的厚度都一樣，渦電流感測器的輸出訊號也會變化。
本發明係鑑於上述的問題點而完成者。因此，本發明之一個目的在提供一種即使是研磨低電阻基板上的導電膜時或是研磨墊磨耗時都能準確監視膜厚的變化之研磨監視方法、研磨裝置、以及監視裝置。
為了達成上述目的之本發明的一個態樣提供一種使用渦電流感測器來監視與研磨墊的研磨面做滑動接觸之導電膜的厚度的變化之監視方法。此方法包含：在渦電流感測器面對導電膜時取得渦電流感測器的輸出訊號，此輸出訊號包括相當於包含渦電流感測器的線圈(coil)在內之電路的阻抗(impedance)的電阻成分及感抗成分(inductive reactance component)之兩個訊號；將兩個訊號定義成座標系上的座標；重複進行輸出訊號之取得及座標之定義；決定由座標系上至少三組座標所定出的弧的曲率中心；決定將曲率中心與至少三組座標中的至少一組相連接而成的線的傾斜角度；以及藉由監視傾斜角度的變化來監視導電膜的厚度的變化。
本發明的原理將說明以下。當低電阻基板的電阻率如上所述一個一個基板各不相同時，渦電流感測器的輸出訊號的軌跡也會隨著一個一個基板而變化，如第9及第10圖所示。第9圖顯示輸出訊號的軌跡的開始角度(開始點)與另一軌跡的開始角度有很大的不同之例子。在此例中，開始角度的差異可以很小而且兩軌跡可以重疊。第10圖顯示一軌跡的半徑與另一軌跡的半徑不同，而且開始角度也不同之例子。另外，基板與渦電流感測器之間的距離若因為研磨墊之磨耗而改變，渦電流感測器的輸出訊號的軌跡就可能會改變，如第11圖所示。第9至第11圖中，符號SP表示研磨開始點，符號EP表示研磨結束點。本案發明人發現當膜厚相同時，各個弧狀的軌跡都具有大致相等的中心角，即使渦電流感測器的輸出訊號的弧狀的軌跡會如第9至第11圖所示般變化。換言之，當膜厚相同時，膜厚的減小速率會大致等於中心角的增加速率。因此，可從弧狀的軌跡的中心角的變化來監視膜厚的變化。
本發明中，將隨著膜厚而變化之渦電流感測器的輸出訊號描繪成座標系上的座標，以監視將描繪的點與曲率中心相連接而成的線的傾斜角度的變化(亦即中心角的變化)。因此，可達成膜厚之準確的監視，不會受到低電阻基板之電阻率的變動以及基板與渦電流感測器間之距離的變化所影響。
在本發明之較佳的態樣中，該導電膜係形成於低電阻基板上。
在本發明之較佳的態樣中，該方法還包含：從傾斜角度生成隨著傾斜角度之增加而減小之監視訊號。監視導電膜的厚度的變化係包括：根據監視訊號的變化來監視導電膜的厚度的變化。
本發明之另一個態樣提供一種研磨裝置，包含：支持具有研磨面的研磨墊之可旋轉的研磨台、設於該研磨台中之渦電流感測器、設成用來將基板壓抵在研磨面上之頂環(top ring)、設成用來使基板與研磨墊之間做相對運動之機構、設成使用渦電流感測器來監視與研磨面做滑動接觸之導電膜的厚度的變化之監視單元。此監視單元可進行以下操作：在渦電流感測器面對導電膜時取得渦電流感測器的輸出訊號，該輸出訊號包括相當於包含渦電流感測器的線圈在內之電路的阻抗的電阻成分及感抗成分之兩個訊號；將兩個訊號定義成座標系上的座標；重複進行輸出訊號之取得及座標之定義；決定由座標系上至少三組座標所定出的弧的曲率中心；決定將曲率中心與至少三組座標中的至少一組相連接而成的線的傾斜角度；以及藉由監視傾斜角度的變化來監視導電膜的厚度的變化。
本發明之再一個態樣提供一種使用渦電流感測器來監視與研磨墊的研磨面做滑動接觸之導電膜的厚度的變化之監視裝置。此監視裝置包含設成用來進行以下操作之構成：在渦電流感測器面對導電膜時取得渦電流感測器的輸出訊號，此輸出訊號包括相當於包含渦電流感測器的線圈在內之電路的阻抗的電阻成分及感抗成分之兩個訊號；將兩個訊號定義成座標系上的座標；重複進行輸出訊號之取得及座標之定義；決定由座標系上至少三組座標所定出的弧的曲率中心；決定將曲率中心與至少三組座標中的至少一組相連接而成的線的傾斜角度；以及藉由監視傾斜角度的變化來監視導電膜的厚度的變化。
如上所述之本發明不論是低電阻基板的電阻率變動之情況以及基板與渦電流感測器間的距離變化之情況都可提供膜厚之準確的監視。
以下，參照圖式說明本發明之實施例。
第12圖係顯示根據本發明一實施例之研磨裝置的整體構成之示意圖。如第12圖所示，研磨裝置具有：支持(保持)有研磨墊10於其上表面之研磨台12；設成用來保持作為接受研磨的工件之晶圓(基板)以及將晶圓壓抵在研磨墊10的上表面上之頂環14；以及設成用來在未進行晶圓的研磨時在研磨墊10的上表面上進行修整(調整)之修整器(dresser)20。研磨墊10的上表面用作為與晶圓做滑動接觸之研磨面。
研磨台12連結至配置於其下方之馬達(未圖示)，而可如箭頭所示般繞著其自身的軸旋轉。研磨液供給噴嘴(未圖示)配置於研磨台12之上，以從研磨液供給噴嘴將研磨液供給至研磨墊10上。
頂環14連結至頂環軸18，頂環軸18連結至馬達及升降氣缸(未圖示)。頂環14因此而可垂直移動以及如箭頭所示般繞著頂環軸18旋轉。要接受研磨之晶圓係藉由真空吸力等而吸附保持於頂環14的下表面。
以上述構成，使保持於頂環14的下表面之晶圓受頂環14驅動而旋轉以及受頂環14壓迫而抵靠在旋轉研磨台12上的研磨墊10的研磨表面上。以及，使研磨液從研磨液供給噴嘴供給至研磨墊10的研磨面上。晶圓於是在晶圓的表面(下表面)與研磨墊10之間存在有研磨液的情況下接受研磨。本實施例中，研磨台12及頂環14構成使晶圓與研磨墊10之間做相對運動之機構。
第13圖係顯示第12圖中所示之頂環的斷面之示意圖。如第13圖所示，頂環14具有透過活動接頭30而連結至頂環軸18的下端之碟狀的頂環體31、以及設在頂環體31的下部之固持環(retainer ring)32。頂環體31係由例如金屬或陶瓷之具有高強度及剛性的材料所製成。固持環32係由高剛性的樹脂、陶瓷等所製成。固持環32可與頂環體31一體形成。
頂環體31與固持環32之中具有空間，此空間中收納：將與晶圓W接觸之彈性墊33、由彈性薄膜製成之環狀壓力片34、及設成用來保持彈性墊33之碟狀夾持板(chucking plate)35。彈性墊33具有由夾持板35加以保持住之上周緣。彈性墊33與夾持板35之間設有四個壓力腔室(氣袋)P1,P2,P3及P4。這些壓力腔室P1,P2,P3及P4分別通過流體通路37,38,39及40而與未圖示之壓力調整裝置相連通。該壓力調整裝置係設成用來供應加壓流體(亦即加壓空氣)至壓力腔室P1,P2,P3及P4中以及用來在這些壓力腔室中形成真空。中央的壓力腔室P1具有圓形的形狀，其他的壓力腔室P2,P3及P4具有環形的形狀。這些壓力腔室P1,P2,P3及P4配置成同心。該壓力調整裝置可包括壓縮機及真空泵。
該壓力調整裝置可分別獨立地改變壓力腔室P1,P2,P3及P4的內部壓力，以藉此大致獨立地調整施加在四個區域(中央區域C1、內圈區域C2、外圈區域C3及周邊區域C4)的壓力。因為更精確地說，各區域都多或少地受到鄰接區域的影響。另外，藉由使頂環14整體升降，固持環32就可施加預定的力量在研磨墊10上。壓力腔室P5形成於夾持板35與頂環體31之間。上述的壓力調整裝置係設成通過流體通路41將加壓流體供應至壓力腔室P5中以及使壓力腔室P5中形成真空。以此操作，可使夾持板35及彈性墊33整體垂直移動。固持環32係配置在晶圓W的周圍以防止晶圓W在研磨期間脫離頂環14。
如第12圖所示，用來檢測形成於晶圓W上之導電膜的厚度之渦電流感測器50設於研磨台12中。渦電流感測器50連接至監視單元53，監視單元53連接至CMP(化學機械研磨)控制器54。渦電流感測器50的輸出訊號傳送至監視單元53。監視單元53係如先前參照第3及第4圖說明過地處理渦電流感測器50的輸出訊號，並計算出距離Z(參見第4圖)以作為隨著導電膜的厚度而變化之監視訊號。監視單元53所作之渦電流感測器50的輸出訊號之處理包含第2圖所示之曲線圖的旋轉處理及平移處理。監視單元53監視研磨期間之各個區域C1、C2、C3及C4的監視訊號(亦即導電膜之厚度的變化)的變化。
第14圖係顯示研磨台12與晶圓W間的位置關係之平面圖。符號CT 表示研磨台12的旋轉中心。如第14圖所示，渦電流感測器50設在當研磨進行時渦電流感測器50會通過頂環14所保持的晶圓W的中心Cw之位置。詳言之，渦電流感測器50係每次研磨台12轉一圈都循著晶圓W的大致徑向掃過晶圓W。
第15圖係顯示渦電流感測器50掃過晶圓W的路徑之圖。如上所述，當研磨台12旋轉時，渦電流感測器50掃過晶圓W的表面而畫出通過晶圓W的中心Cw(亦即頂環軸18的中心)之路徑。因為頂環14的轉速通常與研磨台12的轉速不同，所以如第15圖中以掃描線(掃過的線)SL1 ,SL2 ,SL3 ...表示的，每次研磨台12轉一圈，渦電流感測器50在晶圓W的表面上的路徑就會改變。即使路徑會改變，由於如上所述，渦電流感測器50位在會通過晶圓W的中心Cw之位置，因此每一圈渦電流感測器50的路徑都還是會通過晶圓W的中心Cw。本實施例中，係調整渦電流感測器50進行膜厚檢測的時序，以使得渦電流感測器50在每一圈監視晶圓W的中心Cw的膜厚。
已知研磨後的晶圓W的表面的膜厚輪廓通常都相對於在晶圓W的表面的垂直方向延伸穿過晶圓W的中心Cw之軸呈現不對稱的形狀。因此，如第15圖所示，將第m條掃描線SLm 上的第n個監視點表示成MPm-n 時，藉由追蹤各條掃描線上的第n個監視點MP1-n ,MP2-n ,...,MPm-n 的監視訊號，就可監視晶圓W的膜厚在各個第n個監視點之徑向位置的變化。
第16圖係顯示在第15圖所示的晶圓上各監視點中選取將由監視單元53加以監視的監視點的一個例子之平面圖。在第16圖所示的例子中，監視單元53監視靠近區域C1、C2、C3及C4的中心及邊界之監視點MPm-1 ,MPm-2 ,MPm-3 ,MPm-4 ,MPm-5 ,MPm-6 ,MPm-8 ,MPm-10 ,MPm-11 ,MPm-12 ,MPm-13 ,MPm-14 及MPm-15 。不像第15圖所示的例子，監視點MPm-i ,MPm-(i+1) 之間可設置另一個監視點。要監視的監視點之選擇並不限於第16圖所示的例子。基於控制晶圓W表面的研磨之考量而要監視之點亦可選作為監視點。或者，可選擇各掃描線上的所有監視點。
第15圖中，為了簡化，一個掃描操作中的監視點的數目為15。然而，監視點的數目並不限於圖示的例子，可為依據測量時間及研磨台12的轉速之各種不同的數目。例如，可設定分佈在晶圓W的一端到另一端之間之三百個監視點，以及將這些監視點區分為相當於區域C1、C2、C3及C4之四個分組。在此例中，可計算在各個分組中的監視點獲得之感測器50的輸出訊號值的平均值或代表值，以及可將計算出的平均值或代表值用作為那個分組之感測器50的輸出訊號值。為了使資料平滑及消除雜訊，可將在鄰近監視點獲得的輸出訊號值加以標準化。
監視單元53進行在各個選定的監視點獲得的監視訊號與預先設定給各壓力腔室P1,P2,P3及P4的參考訊號之比較，並計算能使各個監視訊號收斂到對應的參考訊號之壓力腔室P1,P2,P3及P4中的最佳壓力。因此，監視單元53作用為一個控制器，用於根據監視訊號而控制壓力腔室P1,P2,P3及P4的內部壓力。
計算出的壓力從監視單元53傳送到CMP控制器54。此CMP控制器54透過壓力調整裝置來改變壓力腔室P1,P2,P3及P4的內部壓力。以此方式，調整施加到晶圓W的各個區域C1、C2、C3及C4之壓力。監視單元53及CMP控制器54可整合成單一個控制單元。
第17圖係顯示渦電流感測器之示意圖。此渦電流感測器50包含感測器線圈102、連接至感測器線圈102之AC(交流)電源103、及設成用來檢測包含感測器線圈102之電路(第1圖中之感測器側電路)的電阻成分X及感抗成分Y之同步檢波器105。作為接受厚度檢測的膜之導電膜201，係形成於晶圓W上之薄膜，且此薄膜係由例如銅、鎢、鉭、或鈦等導電性材料所形成。感測器線圈102與導電膜間之距離G係在例如0.5mm到5mm之範圍內。
第18圖係顯示第17圖所示的渦電流感測器的感測器線圈的一個配置例之圖。感測器線圈102包含線軸(bobbin)111、以及捲繞在線軸111上之三個線圈112,113及114。這些線圈112,113及114形成三層線圈。線圈112係中間線圈作為勵磁線圈(exciting coil)連接至AC電源103。此勵磁線圈112利用從AC電源103供應來的交流電流產生磁場，藉此在晶圓上的導電膜中產生渦電流。檢測線圈113位在勵磁線圈112的上方(亦即位在導電膜側)。檢測線圈113係設成用來檢測在導電膜中流動的渦電流所產生的磁通(magnetic flux)。平衡線圈114位在與檢測線圈113相反的一側。
線圈112,113及114具有相同數目的圈數(1至500圈)。檢測線圈113與平衡線圈114以不同相的方式相連接。當導電膜靠近檢測線圈113，在導電膜中流通的渦電流所產生的磁通就會與檢測線圈113與平衡線圈114產生互連(interlink)。因為檢測線圈113比其他線圈靠近導電膜，所以線圈113及114中產生的感應電壓不平衡，可藉此檢測出導電膜中的渦電流所產生的互連磁通(interlinkage flux)。
第19圖係顯示渦電流感測器的細部構成之示意圖。AC電源103包含例如石英振盪器之產生固定頻率的振盪器。舉例來說，AC電源103係供應具有例如1到50MHz的固定頻率之交流電流至感測器線圈102。AC電源103所產生的交流電流係經由帶通濾波器(bandpass filter)120而供應至感測器線圈102。感測器線圈102的一個端子輸出訊號，此訊號經由橋式電路121及高頻放大器123而傳送到同步檢波器105。此同步檢波器105具有餘弦同步檢測電路125及正弦同步檢測電路126，用來抽出阻抗的電阻成分及感抗成分。
設置低通濾波器127及128以從同步檢波器105所輸出的電阻成分及感抗成分中將不要的高頻(例如不低於5MHz)成分去除掉。於是，作為阻抗的電阻成分之X訊號及作為阻抗的感抗成分之Y訊號從渦電流感測器50輸出。監視單元53對輸出訊號X及Y進行與先前參照第3圖說明過的(亦即旋轉處理及平移處理)相同之處理，以及將處理過的訊號描繪在XY座標系上。渦電流感測器50的輸出訊號X及Y之處理(亦即旋轉處理及平移處理)可電性地在渦電流感測器50中進行或可在監視單元53中以計算方式進行。
接著，將說明根據監視訊號(此監視訊號隨著膜厚而變化)來監視膜厚的變化之方法。第20圖係顯示製作監視訊號的流程之圖表，第21圖係顯示由描繪在XY座標系上之渦電流感測器的輸出訊號所形成的弧形軌跡與該軌跡的中心角的關係之圖表。將在下面說明之監視訊號，係利用對渦電流感測器50的輸出訊號X及Y進行如第3圖所示的上述處理(亦即旋轉處理、平移處理)所得到的訊號而製作出來。該監視訊號亦可利用未經過上述處理之原始訊號(raw signal)來製作。本說明書中，渦電流感測器50的輸出訊號包含經過上述處理而獲得之訊號與未經過上述處理之原始訊號。
每次研磨台12轉一圈，監視單元53就將渦電流感測器50的輸出訊號取入。取入的輸出訊號包括：分別對應於包含渦電流感測器50的感測器線圈102在內之電路(第1圖中之感測器側電路)的電阻成分X及感抗成分Y之兩個訊號。監視單元53將這些輸出訊號接連地描繪成XY座標系上的座標。座標之描繪並一定表示實際地製作一個圖形的座標系統，而是包含：依照在座標系上描繪座標的方式，將輸出訊號X及Y定義成XY座標系上的座標。更詳言之，監視單元53係在每次取入渦電流感測器50的兩個輸出訊號，亦即電阻成分X及感抗成分Y時，將輸出訊號X及Y定義成XY座標系上的座標。
因為研磨期間研磨台12係定速旋轉，所以座標的取得及描繪係以一定的時間間隔進行。每次研磨台12轉一圈，就將相對於基板上相同的徑向位置(區域)之渦電流感測器50的輸出訊號取入。本例中，研磨台12轉三圈時，就取得三組座標(步驟1)。當三組座標已知，就可決定一個大略的曲率中心來作為通過該三組座標之弧的中心。因此，步驟2決定由第一組座標、第二組座標及第三組座標所定出的弧的曲率中心。第三組座標係最後一組座標(亦即，係研磨台12轉第三圈時取入的座標)。然後，決定將第三組座標與曲率中心相連接而成的直線的傾斜角度。此傾斜角度可就一條參考線L和將第三組座標與曲率中心相連接而成的直線間的角度進行計算而求出。該參考線L係一條固定的線。與X軸平行的線可用作為該參考線L。將求出的傾斜角度當作參考角度α0儲存於監視單元53(步驟3)。
每次描繪新的輸出訊號(亦即座標)，就從最後三組座標(第n組座標、第n-1組座標及第n-2組座標)所形成的軌跡決定出曲率中心，此為步驟4。在步驟5，決定參考線L和連接決定出的曲率中心與最後一組座標(第n組座標所定出的點)而成的線間的角度αn。然後，將角度αn減去角度α0而計算出角度θn(步驟6)。此角度θn表示將座標所定出的點與曲率中心相連接而成之直線的傾斜角度的增量(亦即中心角的增量)。在步驟2及步驟4中，考慮到降低輸出訊號的值的變動所造成的不良影響，可從最後四組或更多組座標中選出三組座標，再從此三組座標決定出弧，或從最後四組或更多組座標決定出回歸圓(regression circle)來找出回歸圓的曲率中心。
第22圖係顯示以縱軸為角度θ、橫軸為研磨時間而描點繪圖所得到的曲線圖之圖表。如第22圖所示，角度θ(亦即上述的角度θn)隨著研磨時間的經過而增加，然後在某一時點變為常數。如上所述，中心角隨著作為研磨對象之導電膜的厚度而變化。因此，此角度θ用作為隨著膜厚而變化之監視訊號。膜厚的變化可根據監視訊號(亦即角度θ)的變化來加以監視。角度θ變為常數表示研磨處理已將導電膜從基板去除掉。因此，研磨結束點可藉由檢測增加的角度θ變為常數之那一個點而檢測出來。此外，如果初始的膜厚已知，目前的膜厚也可以從角度θ的變化而計算出來。因此，研磨可在達到希望的膜厚時停止。
第23圖係顯示以縱軸為角度A-θ(符號“A”代表一自然數，例如100)，橫軸為研磨時間而描點繪圖所得到的曲線圖之圖表。此曲線圖大致與第22圖的曲線圖相同，不同之處在於使用角度A-θ作為監視訊號。從第23圖可以看出，當導電膜的厚度減小，作為監視訊號之角度A-θ也減小。因此，第23圖的曲線圖以如同眼睛所看到的方式說明膜厚隨著研磨時間的經過而減小之情形。
根據本發明，即使研磨的是低電阻基板時，膜厚的監視也不會受基板的低電阻率的變動所影響。此外，監視不會受基板與渦電流感測器50間的距離因研磨墊10的磨耗而造成的變化所影響。因此，可達成膜厚之高精度監視，因而可從基板上的剩餘膜厚準確地檢測研磨條件之研磨結束點及改變點。
以上實施例之說明係供熟習本領域技術者能夠製作及使用本發明。此外，上述實施例的各種不同的修飾變化對於那些熟習本領域技術者而言將顯得相當顯而易知，而且本說明中所定義的一般原理及特定實例可應用到其他實施例。因此，並不應將本發明限定於此處所說明的實施例，而應給予本發明如申請專利範圍及均等範圍的限制條件所界定之最廣的範圍。
1．．．線圈
10．．．研磨墊
12．．．研磨台
14．．．頂環
18．．．頂環軸
20．．．修整器
30．．．活動接頭
31．．．頂環體
32．．．固持環
33．．．彈性墊
34．．．環狀壓力片
35．．．夾持板
37,38,39,40,41．．．流體通路
50．．．渦電流感測器
53．．．監視單元
54．．．CMP控制器
102．．．感測器線圈
103．．．AC電源
105．．．同步檢波器
111．．．線軸
112．．．勵磁線圈
113．．．檢測線圈
114．．．平衡線圈
120．．．帶通濾波器
121．．．橋式電路
123．．．高頻放大器
125．．．餘弦同步檢測電路
126．．．正弦同步檢測電路
127,128．．．低通濾波器
201．．．導電膜
C1,C2,C3,C4．．．區域
P1,P2,P3,P4,P5．．．壓力腔室
第1圖係顯示用來說明渦電流感測器的原理之等效電路之圖。
第2圖係顯示在XY座標系上描繪隨著研磨時間而變化的X及Y所畫出的曲線圖之圖。
第3圖係顯示將第2圖中的曲線圖逆時針旋轉90度並進一步將旋轉後的曲線圖加以平移所得到的曲線圖之圖。
第4圖顯示以縱軸為距離Z、橫軸為研磨時間而描點繪圖所作成的曲線圖。
第5圖係顯示研磨具有一般電阻率的一般基板上具有100nm厚度的鎢膜時渦電流感測器的輸出訊號的軌跡，同時顯示研磨低電阻基板上具有相同厚度的鎢膜時渦電流感測器的輸出訊號的軌跡之曲線圖。
第6圖係顯示由於基板間之電阻率的變動所造成的檢測誤差之圖。
第7圖係顯示膜厚與距離Z間的關係之曲線圖。
第8圖係用來顯示一般基板與低電阻基板之間之距離Z的減小程度上的差異之圖表。
第9圖係顯示渦電流感測器的輸出訊號因為低電阻基板的電阻率而變化之圖表。
第10圖係顯示渦電流感測器的輸出訊號因為低電阻基板的電阻率而變化之圖表。
第11圖係顯示渦電流感測器的輸出訊號因為基板與渦電流感測器間的距離的變化而變化之圖表。
第12圖係顯示根據本發明一實施例之研磨裝置的整體構成之示意圖。
第13圖係顯示第12圖中所示之頂環的斷面之示意圖。
第14圖係顯示研磨台與晶圓間的位置關係之平面圖。
第15圖係顯示渦電流感測器掃過晶圓的路徑之圖。
第16圖係顯示在第15圖所示的晶圓上各監視點中選取將由監視單元加以監視的監視點的一個例子之平面圖。
第17圖係顯示渦電流感測器之示意圖。
第18圖係顯示第17圖所示的渦電流感測器的感測器線圈的一個例子之圖。
第19圖係顯示渦電流感測器的細部構成之示意圖。
第20圖係顯示製作監視訊號的流程之圖表。
第21圖係顯示由描繪在XY座標系上之渦電流感測器的輸出訊號所形成的弧形軌跡與該軌跡的中心角的關係之圖表。
第22圖係顯示以縱軸為角度θ、橫軸為研磨時間而描點繪圖所得到的曲線圖之圖表。
第23圖係顯示以縱軸為角度A-θ、橫軸為研磨時間而描點繪圖所得到的曲線圖之圖表。
無元件符號

Claims (12)

  1. 一種監視方法，係使用渦電流感測器來監視與研磨墊的研磨面做滑動接觸之導電膜的厚度的變化之方法，此方法包括：在前述渦電流感測器面對前述導電膜時取得該渦電流感測器的輸出訊號，前述輸出訊號包括相當於包含前述渦電流感測器的線圈在內之電路的阻抗(impedance)的電阻成分(resistance component)及感抗成分(inductive component)之兩個訊號；將前述兩個訊號定義成座標系上的座標；重複進行前述該輸出訊號之取得及前述該等座標之定義；每次定義前述座標時，決定由座標系上最後之至少三組座標所定出的弧的曲率中心；決定將前述曲率中心與前述至少三組座標中之最後一組相連接而成之線的傾斜角度；以及藉由監視前述傾斜角度的變化而監視前述導電膜的厚度的變化。
  2. 如申請專利範圍第1項之監視方法，其中，前述導電膜係形成於低電阻基板上。
  3. 如申請專利範圍第1項之監視方法，還包括：從前述傾斜角度生成隨著前述傾斜角度之增加而減小之監視訊號，其中，前述監視前述導電膜的厚度的變化係包括： 根據前述監視訊號的變化來監視前述導電膜的厚度的變化。
  4. 如申請專利範圍第3項之監視方法，其中，前述監視訊號係將前述傾斜角度減去預定之參考角度所求得之角度。
  5. 一種研磨裝置，用來研磨基板，該裝置包括：支持具有研磨面的研磨墊之可旋轉的研磨台；設於前述研磨台中之渦電流感測器；設成用來將基板壓抵在前述研磨面上之頂環(top ring)；設成用來使前述基板與前述研磨墊之間做相對運動之機構；以及設成使用前述渦電流感測器來監視與前述研磨面做滑動接觸之導電膜的厚度的變化之監視單元，其中，前述監視單元可進行以下操作：在前述渦電流感測器面對前述導電膜時取得該渦電流感測器的輸出訊號，前述輸出訊號包括相當於包含前述渦電流感測器的線圈在內之電路的阻抗的電阻成分及感抗成分之兩個訊號；將前述兩個訊號定義成座標系上的座標；重複進行前述輸出訊號之取得及前述該等座標之定義；每次定義前述座標時，決定由座標系上最後之至少三組座標所定出的弧的曲率中心； 決定將前述曲率中心與前述至少三組座標中之最後一組相連接而成之線的傾斜角度；以及藉由監視前述傾斜角度的變化而監視前述導電膜的厚度的變化。
  6. 如申請專利範圍第5項之研磨裝置，其中，前述導電膜係形成於低電阻基板上。
  7. 如申請專利範圍第5項之研磨裝置，其中，前述監視單元還可進行以下操作：從前述傾斜角度生成隨著前述傾斜角度之增加而減小之監視訊號；以及根據該監視訊號的變化來監視前述導電膜的厚度的變化。
  8. 如申請專利範圍第7項之研磨裝置，其中，前述監視訊號係將前述傾斜角度減去預定之參考角度所求得之角度。
  9. 一種監視裝置，係使用渦電流感測器來監視與研磨墊的研磨面做滑動接觸之導電膜的厚度的變化之裝置，此裝置包括設成用來進行以下操作之構成：在前述渦電流感測器面對前述導電膜時取得該渦電流感測器的輸出訊號，此輸出訊號包括相當於包含前述渦電流感測器的線圈在內之電路的阻抗的電阻成分及感抗成分之兩個訊號；將前述兩個訊號定義成座標系上的座標；重複進行前述輸出訊號之取得及前述該等座標之定義；每次定義前述座標時，決定由座標系上最後之至少 三組座標所定出的弧的曲率中心；決定將前述曲率中心與前述至少三組座標中之最後一組相連接而成之線的傾斜角度；以及藉由監視前述傾斜角度的變化而監視前述導電膜的厚度的變化。
  10. 如申請專利範圍第9項之監視裝置，其中，前述導電膜係形成於低電阻基板上。
  11. 如申請專利範圍第9項之監視裝置，其中，前述構成還設成用來進行以下操作：從前述傾斜角度生成隨著前述傾斜角度之增加而減小之監視訊號；以及根據該監視訊號的變化來監視前述導電膜的厚度的變化。
  12. 如申請專利範圍第11項之監視裝置，其中，前述監視訊號係將前述傾斜角度減去預定之參考角度所求得之角度。
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