TWI592254B - 渦電流檢測器及研磨方法，以及其裝置 - Google Patents

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Description

渦電流檢測器及研磨方法，以及其裝置
本發明係關於一種適用於檢測出形成在半導體晶圓等基板表面的金屬膜(或導電性膜)之渦電流檢測器。再者，本發明亦關於一種一面藉由渦電流檢測器監視形成在基板表面之金屬膜(或導電性膜)，一面研磨基板並去除金屬膜(或導電性膜)的研磨方法及裝置。
近年來，伴隨半導體裝置之高積體化/高密度化，電路之配線越來越微細化，且多層配線之層數亦增加。當欲一面謀求電路之微細化，一面實現多層配線時，由於在循沿下側之層的表面凹凸之下段差會變大，因此隨著配線層數的增加，薄膜形成中相對於段差形狀之膜被覆性(階覆蓋性，step coverage)會變差。因此，為了進行多層配線，必須改善該階覆蓋性，且在應有的過程中必須進行平坦化處理。此外，由於隨著光微影之細微化，焦點深度會變淺，因此必須對半導體裝置表面進行平坦化處理，俾使半導體裝置之表面的凹凸段差收歛在焦點深度以下。
因此，在半導體裝置之製造步驟中，半導體裝置表面之平坦化技術益形重要。在該平坦化技術中，最重要之技術為化學機械研磨(CMP，Chemical Mechanical Polishing)。該化學機械研磨係使用研磨裝置，一面將含有二氧化矽(SiO2)等磨粒之研磨液供給至研磨墊等之研磨面上，一面使半導體晶圓等基板滑動接觸於研磨面，以進行研磨者。[註：本文中之研磨指polishing，有稱為拋光之情形]。
在進行上述之多層配線時，預先在基板上之絕緣層(電介質材料)形成預定圖案之配線用的槽，使基板浸漬在鍍覆液中以進行例如銅(Cu)之無電解或電解鍍覆，而形成Cu層，然後藉由CMP製程僅留存形成在配線用之槽內的Cu層，選擇性地去除不要部分。此時，若研磨不充分，Cu層殘存在絕緣層(氧化膜)上時，電路的分離會無法順利進行，而造成短路。相反地，在過度研磨之情形時，若對配線用之槽內的Cu層與絕緣膜一同進行研磨的話，電路電阻會上昇，必須將整個半導體基板廢棄，而造成莫大之損害。此情形不限於Cu層，在形成Al層等其他金屬膜，並以CMP製程研磨該金屬膜之情形亦同。
進行上述CMP製程之研磨裝置係具備：具有由研磨墊(polishing pad)所構成之研磨面之研磨台；及用以保持半導體晶圓(基板)之稱為頂環(top ring)或研磨頭(polishing head)的基板保持裝置。利用該研磨裝置進行半導體晶圓之研磨時，一面藉由基板保持裝置保持半導體晶圓，一面以預定之壓力將該半導體晶圓推壓至研磨面而進行研磨，以進行半導體晶圓上之金屬膜的去除。
在研磨步驟結束後，若在半導體晶圓內留有金屬殘膜之狀態下移行至下一步驟，則由於會發生短路等問題，因此變得無法使用半導體晶圓。因此，在研磨步驟結束後，雖藉由使晶圓從研磨墊(研磨面)離開而針對金屬殘膜之有無實施檢查即可確認殘膜，但由於檢查耗費時間，而有晶圓處理能力減低之問題。在實施檢查後，在晶圓上檢測出殘膜時，必須實施再研磨，但在晶圓離開研磨墊後，再實施研磨時，會有每一片晶圓之處理時間增加的問題。亦即，會有處理量降低之問題。
本案申請人係為了解決伴隨上述之金屬殘膜的檢查及檢查後之再研磨而造成處理量減低之問題，首先在日本特願2009-167788號(2009年7月16日申請)公報中，提案一種研磨方法及研磨裝置，係藉由實施在研磨中是否在半導體晶圓等基板上存在有金屬膜(或導電性膜)之殘膜的檢查，即可縮短檢查時間，當檢測出殘膜時，藉由直接實施追加研磨，即可縮短處理時間。
(先前技術文獻) (專利文獻)
(專利文獻1)日本特開2006-255851號公報
在之前提案之日本特願2009-167788號中，係設成在研磨台內配置與形成在半導體晶圓等基板上的Cu等金屬膜反應的渦電流感測器，且在基板之研磨中，伴隨研磨台之旋轉，渦電流感測器通過基板下方之間會與基板之金屬膜起反應而輸出預定之電壓值，因此監視該輸出而檢測出金屬膜被去除。此時，為了在研磨進行中檢測出金屬薄膜，乃藉由使渦電流感測器之振盪頻率上昇、使渦電流感測器之內部電路的放大度上昇、或使渦電流感測器之激磁電壓上昇而進行。
然而，在使渦電流感測器之振盪頻率上昇時，會有線圈諧振頻率因線圈本身之靜電電容而變低之問題。並且，在使渦電流感測器之內部電路的放大度提昇時，會有電路雑訊之影響變大之問題。此外，在使渦電流感測器之激磁電壓上昇時，會有特性之穩定性之問題。
本發明係鑑於上述問題而研創者，其目的在於提供一種在不使渦電流感測器的振盪頻率、內部電路的放大度及激磁電壓上昇之情形下，檢測出半導體晶圓等基板上之金屬薄膜(或導電性薄膜)之渦電流感測器。
再者，本發明之目的在於提供一種研磨方法及研磨裝置，係可藉由利用渦電流感測器實施在研磨中是否於基板上有金屬膜(或導電性膜)之殘膜的檢查，以縮短檢查時間，在檢測出殘膜時，可藉由直接實施追加研磨，以縮短處理時間。
為了達成上述目的，本發明之渦電流感測器係具備：感測器線圈，配置在形成有金屬膜或導電性膜之基板的附近；信號源，將交流信號供給至該感測器線圈而在前述金屬膜或導電性膜形成渦電流；及檢測電路，依據前述感測器線圈之輸出檢測出形成在前述金屬膜或導電性膜之渦電流；該渦電流感測器之特徵為：前述感測器線圈係具有：振盪線圈，連接在前述信號源；檢測線圈，用以檢測形成在前述金屬膜或導電性膜之渦電流；及平衡線圈，與該檢測線圈串聯連接；前述檢測線圈係當將「行(column)」定義為對基板之垂直方向，將「層(layer)」定義為對基板之平行方向時，由將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈所構成。
依據本發明之渦電流感測器，由於以將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈來構成渦電流感測器之檢測線圈，因此可使檢測線圈接近基板，且可使線間之電容成分減小，因此感測器之感測度會變佳。因此在不使渦電流感測器之振盪頻率、內部電路的放大度及激磁電壓上昇之情形下，可檢測出半導體晶圓等基板上之金屬薄膜(或導電性薄膜)。前述檢測線圈係可藉由與半導體晶圓(基板)之形成有金屬膜(或導電性膜)的面平行地將線材或導電體捲繞成複數層之螺旋狀，而在「行(column)」方向只有線材或導電體之直徑份的厚度而形成扁平狀，亦可藉由在將線材或導電體捲繞成複數層之螺旋狀時以逐漸接近(或遠離)基板之方式使之彎曲，而在「行」方向具有比線材或導電體之直徑份更厚之預定厚度。
依據本發明之較佳態樣，前述振盪線圈係由將線材或導電體捲繞成1行複數層之線圈、或將線材或導電體捲繞成複數行1層或複數層的線圈所構成。
依據本發明，以將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈來構成渦電流感測器之振盪線圈時，由於線圈諧振頻率之振盪頻率會上昇，因此即便使振盪頻率上昇，亦可進行穩定之薄膜檢測。
依據本發明之較佳態樣，前述平衡線圈係由將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈所構成。
依據本發明之較佳態樣，前述檢測線圈、前述振盪線圈及前述平衡線圈之至少一者，係藉由將線材或導電體捲繞成1行複數層的複數個前述線圈予以串聯而構成。
依據本發明，在行方向排列複數個將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈，以鄰接之線圈不接觸之方式在線圈間空出間隙，在該間隙配置透磁率低之材料。藉此，即使捲繞為1行複數層之線圈為複數行或多行，亦可使感測器線圈接近基板，因此感測器感測度會變佳。
依據本發明，藉由串聯連接複數個1行複數層的線圈，線圈的合成電感係成為線圈之複數個份的電感與鄰接之線圈間的互感之和，因此隨著線圈的合成電感的上昇，線圈整體的感測器輸出值會增加，而能夠良好地進行金屬膜的檢測。
依據本發明之較佳態樣，前述振盪線圈係以隨著往半徑方向外側而接近基板之方式彎曲而形成。
依據本發明，振盪線圈係為以使半徑方向內側朝平衡線圈側凹入，且隨著往半徑方向外側而接近檢測線圈側之方式彎曲成凹球面狀而捲繞線材或導電體之線圈。如此，藉由使振盪線圈彎曲成凹球面狀而形成，而可使振盪磁場收斂在中央部，且可使感測器感測度提升。
依據本發明之較佳態樣，前述檢測線圈與前述振盪線圈之線圈外徑亦可相異。
依據本發明，藉由使檢測線圈的外徑(直徑)小於盪線圈(激磁線圈)的外徑(直徑)，即可進行目標之金屬膜之微細的檢測。
依據本發明之較佳態樣，前述檢測線圈、前述振盪線圈及前述平衡線圈係依序從基板側排列。
依據本發明，感測器線圈較佳為藉由檢測線圈及平衡線圈而可自動地調整檢測輸出之零點。藉由調整零點，而可僅放大檢測相對於測量對象之金屬膜(或導電性膜)之厚度的變化信號。
依據本發明之較佳態樣，前述檢測線圈、前述振盪線圈及前述平衡線圈係排列成同心圓狀。
依據本發明，藉由將檢測線圈、振盪線圈及平衡線圈排列成同心圓狀，即可將整體感測器線圈接近基板而配置，且感測器感測度會變佳。
依據本發明之較佳態樣，前述感測器線圈係收容在由高透磁率材料所形成之筒狀構件內。
依據本發明，來自感測器線圈之磁通係可採用通過位於感測器線圈之周圍的高透磁率材料之筒狀構件內而通過測量對象之金屬膜(或導電性膜)內的路徑(磁路)。因此，在磁通不會通過設置環境之構件內而衰減之情形下，在測量對象之金屬膜(或導電性膜)的內部，可有效率地使因感測器線圈而產生之渦電流產生，且可感測度佳地測量金屬膜(或導電性膜)。
本發明之研磨方法係將研磨對象之基板推壓在旋轉之研磨台上的研磨面，以對基板上之膜進行研磨之方法，該研磨方法之特徵為：在前述基板之研磨中，伴隨前述研磨台之旋轉，藉由設置在該研磨台之終點檢測感測器掃描基板之被研磨面；監視藉由前述基板之被研磨面的掃描而得之前述終點檢測感測器的輸出，從該終點檢測感測器之輸出的變化檢測出研磨終點；在檢測出前述研磨終點後，監視前述終點檢測感測器或不同之感測器的輸出，以進行用以檢測出殘留於基板上之一部分的膜之殘膜監視；前述終點檢測感測器或不同之感測器係採用渦電流感測器，在將行定義為相對基板之垂直方向，將層定義為相對於基板之平行方向時，在該渦電流感測器中用以檢測出形成在基板上之膜之渦電流的線圈，係採用將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈。
依據本發明之研磨方法，終點檢測感測器係在伴隨研磨台之旋轉而通過基板之下方之期間，與基板之金屬膜(或導電性膜)等之膜反應而輸出預定之電壓值等，因此監視該終點檢測感測器之輸出，當輸出之變化成為預設之膜清除等級時檢測出研磨終點。接著，在檢測出研磨終點後，監視終點檢測感測器或不同之感測器的輸出，以進行檢測出殘留於基板上之一部分的膜之殘膜監視，藉此可針對在研磨中是否有殘膜實施檢查。前述終點檢測感測器或前述不同之感測器係藉由採用將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈，而可使線圈更接近基板，且可使線間之電容成分變小，因此感測器感測度會變佳，且可確實地檢測出研磨終點或殘膜。
依據本發明之較佳態樣，前述殘膜監視係藉由感測度比前述終點檢測感測器更高之前述不同之感測器進行，前述不同之感測器的線圈係採用將線材或導電體捲繞成1行複數層的前述線圈。
依據本發明，在從研磨開始至研磨終點之檢測及殘膜監視為止僅使用具有預定感測度之終點檢測感測器時，在目標之膜變薄之情形下或膜之面積變小之情形下，難以進行膜之檢測。另一方面，僅使用薄膜用之感測器而進行研磨終點之檢測時，在初期膜較厚之情形下，由於輸出超出範圍外(在測量範圍外)，因此無法監視研磨步驟。因此，在本發明中，係使用感測度不同之2個感測器，從研磨開始至終點檢測感測器之感測度消失為止監視輸出並檢測出研磨終點，在實施研磨終點之檢測後，進行不同之感測器的切換，而可確實地檢測出基板上之殘膜。
依據本發明之較佳態樣，前述殘膜監視係切換前述終點檢測感測器之感測度而進行，該感測度之切換係藉由切換前述線圈之匝數而進行。
依據本發明，在從研磨開始至研磨終點之檢測及殘膜監視為止僅使用具有預定感測度之終點檢測感測器時，在目標之膜變薄之情形下或膜之面積變小之情形下，難以進行膜之檢測。另一方面，僅使用薄膜用之感測器而進行研磨終點之檢測時，在初期膜較厚之情形下，由於輸出超出範圍外(在測量範圍外)，因此無法監視研磨步驟。因此，在本發明中，係藉由切換匝數而可將終點檢測感測器之感測器感測度切換成高低之2階段，以防止從研磨開始至研磨終點之檢出為止作為低感測器感測度之輸出超出範圍外(在測量範圍外)，在研磨終點之檢測後作為高感測器感測度而可確實地檢測出基板上之殘膜。
依據本發明之較佳態樣，前述殘膜監視係藉由感測度比前述終點檢測感測器高之前述不同之感測器來進行，前述終點檢測感測器及前述不同之感測器係為具備有用以將渦電流形成在基板上之膜的振盪線圈、用以檢測形成在基板上之膜之渦電流的檢測線圈、及與該檢測線圈串聯連接之平衡線圈的渦電流感測器，而前述不同之感測器之前述振盪線圈、前述檢測線圈、及前述平衡線圈係採用將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈。
本發明之研磨裝置係具備具有研磨面之研磨台、及保持研磨對象之基板的頂環，並將基板推壓在旋轉之研磨台上之研磨面，以對基板上之膜進行研磨，該研磨裝置之特徵為具備：終點檢測感測器，設置在前述研磨台，隨著前述研磨台之旋轉而掃描基板之被研磨面；及控制裝置，監視藉由前述基板之被研磨面之掃描而得之前述終點檢測感測器之輸出，並由該終點檢測感測器之輸出的變化檢測出研磨終點；前述終點檢測感測器係由渦電流感測器所構成，在將行定義為相對基板之垂直方向、將層定義為相對於基板之平行方向時，在該渦電流感測器中檢測出形成在基板上之膜的渦電流的線圈係由將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈所構成。
依據本發明之研磨裝置，終點檢測感測器係在伴隨研磨台之旋轉而通過基板下方之間，會與基板之金屬膜(或導電性膜)等膜反應而輸出預定之電壓值等，因此監視該終點檢測感測器之輸出，當輸出之變化成為預設之膜清除等級時檢測出研磨終點。由於以將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈來構成前述終點檢測感測器之線圈，因此可使線圈接近於基板，從而感測器感測度會變佳，可確實地檢測出研磨終點。
依據本發明之較佳態樣，前述控制裝置係在檢測出前述研磨終點後，監視前述終點檢測感測器或不同之感測器的輸出，以進行用以檢測出殘留在基板上之一部分的膜之殘膜監視。
依據本發明，在檢測出研磨終點後，監視終點檢測感測器或不同之感測器的輸出，以進行用以檢測出殘留於基板上之一部分的膜之殘膜監視，藉此可針對在研磨中是否有殘膜實施檢查。
依據本發明之較佳態樣，前述殘膜監視係藉由感測度比前述終點檢測感測器更高之渦電流感測器所構成的前述不同之感測器而進行，前述不同之感測器的線圈係由將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈所構成。
依據本發明，在從研磨開始至研磨終點之檢測及殘膜監視為止僅使用具有預定感測度之終點檢測感測器時，在目標之膜變薄之情形下或膜之面積變小之情形下，難以進行膜之檢測。另一方面，僅使用薄膜用之感測器而進行研磨終點之檢測時，在初期膜較厚之情形下，由於輸出超出範圍外(在測量範圍外)，因此無法監視研磨步驟。因此，在本發明中，係使用感測度不同之2個感測器，從研磨開始至終點檢測感測器之感測度消失為止監視輸出並檢測出研磨終點，在實施研磨終點之檢測後，進行不同之感測器的切換，而可確實地檢測出基板上之殘膜。由於以將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈來構成前述不同之感測器之線圈，因此可使線圈接近於基板，從而感測器感測度會變佳，可確實地檢測出研磨終點。
依據本發明之較佳態樣，前述殘膜監視係切換前述終點檢測感測器之感測度而進行，該感測度之切換係藉由切換前述線圈之匝數而進行。
依據本發明，在從研磨開始至研磨終點之檢測及殘膜監視為止僅使用具有預定感測度之終點檢測感測器時，在目標之膜變薄之情形下或膜之面積變小之情形下，難以進行膜之檢測。另一方面，僅使用薄膜用之感測器而進行研磨終點之檢測時，在初期膜較厚之情形下，由於輸出超出範圍外(在測量範圍外)，因此無法監視研磨步驟。因此，在本發明中，係藉由切換匝數而可將終點檢測感測器之感測器感測度切換成高低之2階段，以防止從研磨開始至研磨終點之檢出為止作為低感測器感測度之輸出超出範圍外(在測量範圍外)，在研磨終點之檢測後作為高感測器感測度而可確實地檢測出基板上之殘膜。
依據本發明之較佳態樣，前述終點檢測感測器或前述不同之感測器係由具備感測器線圈之渦電流感測器所構成，該感測器線圈係具有：用以將渦電流形成在基板上之膜的振盪線圈；用以檢測形成在基板上之膜之渦電流的檢測線圈；及與該檢測線圈串聯連接之平衡線圈。
依據本發明之較佳態樣，前述振盪線圈係由將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈、或將線材或導電體捲繞成複數行1層或複數層的線圈所構成。
依據本發明，以將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈來構成渦電流感測器之振盪線圈時，由於線圈諧振頻率之振盪頻率會上昇，因此即便使振盪頻率上昇，亦可進行穩定之薄膜檢測。
依據本發明之較佳態樣，前述平衡線圈係由將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈所構成。
依據本發明之較佳態樣，前述檢測線圈、前述振盪線圈及前述平衡線圈之至少一者，係藉由將線材或導電體捲繞成1行複數層的複數個前述線圈予以串聯而構成。
依據本發明，在行方向排列複數個將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈，以鄰接之線圈不接觸之方式在線圈間空出間隙，在該間隙配置透磁率低之材料。藉此，即使捲繞為1行複數層之線圈為複數行或多行，亦可使感測器線圈接近基板，因此感測器感測度會變佳。
再者，依據本發明，藉由串聯連接複數個1行複數層的線圈，線圈的合成電感係成為線圈之複數個份的電感與鄰接之線圈間的互感之和，故隨著線圈的合成電感的上昇，線圈整體的感測器輸出值會增加，而能夠良好地進行金屬膜的檢測。
依據本發明之較佳態樣，前述振盪線圈係以隨著往半徑方向外側而接近基板之方式彎曲而形成。
依據本發明，振盪線圈係為以使半徑方向內側朝平衡線圈側凹入，且隨著往半徑方向外側而接近檢測線圈側之方式彎曲成凹球面狀而捲繞線材或導電體之線圈。如此，藉由使振盪線圈彎曲成凹球面狀而形成，而可使振盪磁場收斂在中央部，且可使感測器感測度提升。
依據本發明之較佳態樣，前述檢測線圈與前述振盪線圈之線圈外徑亦可相異。
依據本發明，藉由使檢測線圈的外徑(直徑)小於盪線圈(激磁線圈)的外徑(直徑)，即能縮小感測器之檢測端的大小，而可進行目標之金屬膜之微細的檢測。
依據本發明之較佳態樣，前述檢測線圈、前述振盪線圈及前述平衡線圈係依序從基板側排列。
依據本發明，感測器線圈較佳為藉由檢測線圈及平衡線圈而可自動地調整檢測輸出之零點。藉由調整零點，而可僅放大檢測相對於測量對象之金屬膜(或導電性膜)之厚度的變化信號。
依據本發明之較佳態樣，前述檢測線圈、前述振盪線圈及前述平衡線圈係排列成同心圓狀。
依據本發明，藉由將檢測線圈、振盪線圈及平衡線圈排列成同心圓狀，即可將整體感測器線圈接近基板而配置，且感測器感測度會變佳。
依據本發明之較佳態樣，前述感測器線圈係收容在由高透磁率材料所形成之筒狀構件內。
依據本發明，來自感測器線圈之磁通係可採用通過位於感測器線圈之周圍的高透磁率材料之筒狀構件內而通過測量對象之金屬膜(或導電性膜)內的路徑(磁路)。因此，在磁通不會通過設置環境之構件內而衰減之情形下，在測量對象之金屬膜(或導電性膜)的內部，可有效率地使因感測器線圈而產生之渦電流產生，且可感測度佳地測量金屬膜(或導電性膜)。
依據本發明，可發揮以下列舉之效果。
(1)由於以將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈來構成渦電流感測器之檢測線圈，因此可使檢測線圈接近基板，且可使線間之電容成分減小，因此感測器感測度會變佳。因此在不使渦電流感測器之振盪頻率、內部電路的放大度及激磁電壓上昇之情形下，可檢測出半導體晶圓等基板上之金屬薄膜(或導電性薄膜)。
(2)由於以將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈來構成渦電流感測器之振盪線圈，因此線圈諧振頻率之振盪頻率會上昇，因而即便使振盪頻率上昇，亦可進行穩定之薄膜檢測。
(3)藉由串聯連接複數個1行複數層的線圈，線圈的合成電感係成為線圈之複數個份的電感與鄰接之線圈間的互感之和，因此隨著線圈的合成電感的上昇，線圈整體的感測器輸出值會增加，而能夠良好地進行金屬膜的檢測。
(4)藉由實施研磨中在半導體晶圓等基板上是否有金屬膜(或導電性膜)等殘膜之檢查，即可縮短檢查時間，使基板處理能力提升。
(5)在實施研磨中在基板上是否有金屬膜(或導電性膜)等殘膜之檢查，而檢測出殘膜時，藉由直接實施追加研磨，即可縮短處理時間。
(6)在藉由研磨中之檢查檢測出殘膜時，用以管理整體CMP製程之控制裝置係管理追加研磨時間或殘膜狀況，藉此即可將下一個研磨對象之研磨條件變更為最適者。
(7)無須使半導體晶圓等基板從研磨面(研磨墊)分離，即可實施在基板上是否有金屬膜(或導電性膜)等殘膜之檢查。
以下，參照第1圖至第28圖詳細說明本發明實施形態之研磨裝置的實施形態。在第1圖至第28圖中，相同或相當之構成要素係賦予同一符號，並省略重複之說明。
第1圖係顯示本發明之研磨裝置之整體構成的概略圖。如第1圖所示，研磨裝置係具備：研磨台100；及保持屬於研磨對象物之半導體晶圓等基板並將該基板推壓至研磨台上之研磨面的頂環1。
研磨台100係透過台軸100a連結至配置於其下方之馬達(未圖示)，並且可繞著該台軸100a的周圍旋轉。在研磨台100之上表面貼附有研磨墊101，該研磨墊101之表面101a係構成研磨半導體晶圓W之研磨面。在研磨台100之上方配置有研磨液供給噴嘴102，藉由該研磨液供給噴嘴102將研磨液Q供給至研磨台100上之研磨墊101上。如第1圖所示，在研磨台100之內部埋設有渦電流感測器50。
頂環1基本上係由以下構件所構成：頂環本體2，將半導體晶圓W往研磨面101a推壓；及保持環3，保持半導體晶圓W之外周緣，而使半導體晶圓W不會從頂環飛出。
頂環1係連接在頂環軸111，該頂環軸111係藉由上下移動機構124相對於頂環頭110上下移動。藉由該頂環軸111之上下移動，使整體頂環1相對於頂環頭110昇降以進行定位。再者，在頂環軸111之上端安裝有旋轉接頭125。
使頂環軸111及頂環1上下移動的上下移動機構124係具備：橋接件128，透過軸承126以可旋轉之方式支持頂環軸111；滾珠螺桿132，安裝在橋接件128；支持台129，藉由支柱130所支持；及AC伺服馬達138，設置在支持台129上。支持伺服馬達138之支持台129係透過支柱130固定在頂環頭110。
滾珠螺桿132係具備：連接在伺服馬達138之螺桿軸132a、及與該螺桿軸132a螺合的螺帽132b。頂環軸111係與橋接件128形成一體而上下移動。因此，當驅動伺服馬達138時，橋接件128會透過滾珠螺桿132而上下移動，藉此頂環軸111與頂環1會上下移動。
再者，頂環軸111係透過栓(key)(未圖示)連接在旋轉筒112。該旋轉筒112係在其外周部具備定時皮帶輪(timing pulley)113。在頂環頭110固定有頂環用馬達114，上述定時皮帶輪113係透過定時皮帶(timing belt)115連接至設置於頂環用馬達114的定時皮帶輪116。因此，藉由對頂環用馬達114進行旋轉驅動，旋轉筒112及頂環軸111會透過定時皮帶輪116、定時皮帶115及定時皮帶輪113而一體地旋轉，且頂環1會旋轉。再者，頂環頭110係由以可旋轉之方式被支持在框體(未圖示)的頂環軸117所支持。
在如第1圖所示構成之研磨裝置中，頂環1係可將半導體晶圓W等基板保持在其下表面。頂環頭110係構成為可以頂環軸117為中心回轉，而已將半導體晶圓W保持在下表面的頂環1係藉由頂環頭110之旋轉從半導體晶圓W之收受位置移動至研磨台100之上方。並且，使頂環1下降並將半導體晶圓W推壓至研磨墊101之表面(研磨面)101a。此時，分別使頂環1及研磨台100旋轉，並將研磨液從設於研磨台100上方之研磨液供給噴嘴102供給至研磨墊101上。如此，使半導體晶圓W滑動接觸於研磨墊101之研磨面101a而研磨半導體晶圓W之表面。
第2圖係顯示研磨台100與渦電流感測器50與半導體晶圓W之關係的俯視圖。如第2圖所示，渦電流感測器50係設置在通過被保持在頂環1之研磨中之半導體晶圓W之中心Cw的位置。符號CT係研磨台100之旋轉中心。例如，渦電流感測器50係在通過半導體晶圓W之下方之期間，可在通過軌跡(掃描線)上連續地檢測出半導體晶圓W之Cu層等金屬膜(導電性膜)。
接著，利用第3圖至第17圖詳細說明本發明之研磨裝置所具備之渦電流感測器50。
第3圖係顯示渦電流感測器50之構成的圖，第3圖(a)係顯示渦電流感測器50之構成的方塊圖，第3圖(b)係渦電流感測器50之等效電路圖。
如第3圖(a)所示，渦電流感測器50係在檢測對象之金屬膜(或導電性膜)mf之附近配置感測器線圈60，在該線圈連接有交流信號源52。在此，檢測對象之金屬膜(或導電性膜)mf係例如形成在半導體晶圓W上的Cu、Al、Au、W等之薄膜。感測器線圈60係檢測用線圈，相對於檢測對象之金屬膜(或導電性膜)配置在例如1.0至4.0mm左右之附近。
渦電流感測器有以下型式者：振盪頻率因在金屬膜(或導電性膜)mf產生的渦電流而變化，由該頻率變化而檢測出金屬膜(或導電性膜)的頻率型式；及阻抗會變化，由該阻抗之變化檢測出金屬膜(或導電性膜)之阻抗型式。亦即，頻率型式係在第3圖(b)所示之等效電路中，由於渦電流I2變化，因此阻抗Z會變化而信號源(可變頻率振盪器)52之振盪頻率變化時，能以檢波電路54檢測出該振盪頻率之變化，而檢測出金屬膜(或導電性膜)之變化。阻抗型式係在第3圖(b)所示之等效電路中，由於渦電流I2變化，因此阻抗Z變化而由信號源(固定頻率振盪器)52所見之阻抗Z變化時，能藉由檢波電路54檢測出此阻抗Z之變化，而檢測出金屬膜(或導電性膜)之變化。
在阻抗型式之渦電流感測器中，如後所述，取出信號輸出X、Y、相位、合成阻抗Z。由頻率F或阻抗X、Y等，獲得金屬膜(或導電性膜)Cu、Al、Au、W之測定資訊。如第1圖所示渦電流感測器50係可內建在研磨台100之內部的表面附近之位置，且以隔著研磨墊面對研磨對象之半導體晶圓之方式定位，而從流通於半導體晶圓上之金屬膜(或導電性膜)之渦電流檢測出金屬膜(或導電性膜)之變化。
渦電流感測器之頻率係可使用單一電波、混合電波、AM調變電波、FM調變電波、函數產生器之掃測(sweep)輸出或複數個振盪頻率源，且可因應金屬膜之膜種，選擇感測度良好之振盪頻率或調變方式。
以下，具體地說明阻抗型式之渦電流感測器。交流信號源52係2至8MHz左右之固定頻率的振盪器，例如採用水晶振盪器。藉由以交流信號源52所供給之交流電壓，使電流I1流通於感測器線圈60。由於電流流通於配置在金屬膜(或導電性膜)mf之附近的感測器線圈60，且其磁通與金屬膜(或導電性膜)mf交鏈，因此在其間形成有互感M，且渦電流I2會流通在金屬膜(或導電性膜)mf中。在此，R1為包含感測器線圈之一次側的等效電阻，L1係同樣地包含感測器線圈之一次側的自感。在金屬膜(或導電性膜)mf側，R2為相當於渦電流損的等效電阻，L2係其自感。從交流信號源52之端子a、b觀看感測器線圈側的阻抗Z係因形成在金屬膜(或導電性膜)mf中之渦電流損的大小而變化。
第4圖(a)、(b)及(c)係顯示比較習知之渦電流感測器之感測器感線圈與本發明之渦電流感測器之感測器線圈的圖，第4圖(a)係顯示習知之渦電流感測器所使用之感測器感線圈之構成例的概略圖，第4圖(b)係顯示本發明之渦電流感測器50之感測器感線圈之構成例的概略圖，第4圖(c)係顯示本發明之渦電流感測器50之檢測線圈之示意俯視圖。
如第4圖(a)所示，習知之渦電流感測器的感測器線圈51係將用以將渦電流形成在金屬膜(或導電性膜)之線圈、及用以檢測金屬膜(或導電性膜)之渦電流的線圈予以分離者，且藉由捲繞在線圈架(bobbin)71之3個線圈72、73、74所構成。為了獲得感測器之感測度，必須增加線圈之匝數。因此，感測器線圈51之3個線圈72、73、74係在將行定義為相對於半導體晶圓(基板)W之垂直方向、將層定義為相對於半導體晶圓(基板)W之平行方向時，由將線材ln分別以5行2層(10匝)螺線管狀地捲繞在線圈架71之外周的線圈所構成。該振盪線圈72係藉由以交流信號源52所供給之電壓所形成的磁場，在配置於附近之半導體晶圓(基板)W上的金屬膜(或導電性膜)mf形成渦電流。在線圈架71之金屬膜(或導電性膜)側配置有檢測線圈73，以檢測出由形成在金屬膜(或導電性膜)之渦電流所產生的磁場。並且，在隔著振盪線圈72之檢測線圈73的相反側，配置有平衡線圈74。
相對於此，本發明之渦電流感測器50的感測器線圈60係如第4圖(b)所示，由3個線圈62、63、64所構成，並未採用捲繞在線圈架61之方式，感測器線圈60之3個線圈62、63、64係為在將行定義為相對於半導體晶圓(基板)W之垂直方向、將層定義為相對於半導體晶圓(基板)W之平行方向時，將線材ln分別以1行N層捲繞方式捲繞成螺旋狀的線圈。更詳細而言，3個線圈62、63、64係為在將行定義為相對於形成有半導體晶圓(基板)W之金屬膜(或導電性膜)之面的垂直方向、將層定義為相對於形成有半導體晶圓(基板)W之金屬膜(或導電性膜)之面的平行方向時，將線材ln分別以1行N層捲繞方式捲繞成螺旋狀的線圈。N為2以上之整數，若設為例如與以往同等以上之匝數，則N為10以上。在第4圖(b)所示之例中為1行14層之線圈。
前述3個線圈62、63、64中之中央的線圈62係為連接在交流信號源52之振盪線圈。該振盪線圈62係藉由以交流信號源52所供給之電壓所形成的磁場，在配置於附近之半導體晶圓W上的金屬膜(或導電性膜)mf形成渦電流。在振盪線圈62之金屬膜(或導電性膜)側配置有檢測線圈63，以檢測出由形成在金屬膜(或導電性膜)之渦電流所產生的磁場。並且，在隔著振盪線圈62之檢測線圈63的相反側，配置有平衡線圈64。在振盪線圈62與檢測線圈63之間，配置有用以將振盪線圈62與檢測線圈63之間隔保持為一定之間隔件S1，在振盪線圈62與平衡線圈64之間，配置有用以將振盪線圈62與平衡線圈64之間隔保持為一定之間隔件S2。此外，鄰接於平衡線圈64而配置有線圈架61。此外，振盪線圈62與檢測線圈63之間及振盪線圈62與平衡線圈64之間係只要隔開距離即可，尤其是不設置間隔件而只有空間亦可。
如第4圖(c)所示，檢測線圈63係由將線材ln以1行N層捲繞方式螺旋狀地捲繞在半徑方向的線圈所構成。檢測線圈63係可藉由與形成有半導體晶圓(基板)之金屬膜(或導電性膜)mf的面平行地將線材ln螺旋狀地捲繞成N層，而在行方向(第4圖(c)中與紙面正交之方向)只有線材ln之直徑份的厚度而形成扁平狀，亦可藉由在將線材ln螺旋狀地捲繞成N層時以逐漸接近(或遠離)半導體晶圓(基板)W之方式使之彎曲，而在行方向具有比線材ln之直徑份更厚之預定厚度的線圈。在第4圖(c)中雖有檢測線圈63之圖示，但振盪線圈62及平衡線圈64亦為與第4圖(c)相同之形狀。
此外，感測器線圈60中之各線圈62、63、64亦可串聯連接m個將線材ln以1行N層捲繞成螺旋狀之第4圖(c)所示的線圈而構成。其中，m為2以上之整數。將1行N層之線圈串聯連接m個時，當各線圈彼此接觸時，電容成分會增加，因此較佳為將1行N層的線圈在行方向(相對於基板之垂直方向)排列m個，且在鄰接之線圈間空出間隙。此外，亦可在該間隙設置透磁率低之材料。
第5圖(a)、(b)係顯示串聯連接m個1行N層之線圈之態樣的示意圖。
於第5圖(a)所示之態樣中，係串聯連接1行N層之線圈A、線圈B。於第5圖(b)所示之態樣中，獲得線圈2行份的電感L1A+L1B、與鄰接之線圈間的互感M。鄰接之線圈間的互感M係為如下數式。
其中，k為結合係數，L1A、L1B係為自感[H]。
因此，於第5圖(a)所示之例中，合成電感係為L0=L1A+L1B+2M。
於第5圖(b)所示之態樣中，係串聯連接1行N層的線圈A、線圈B、線圈C。在第5圖(b)的態樣中，獲得線圈3行份的電感L1A+L1B+L1C、與鄰接之線圈間的互感M1AB、M1BC、M1AC。互感M1AB、M1BC、M1AC係為如下數式。
其中，k0、k1、k2為結合係數，L1A、L1B、L1C係為自感[H]。
因此，於第5圖(b)所示之例中，合成電感係為L0=L1A+L1B+L1C+2M1AB+2M1BC+2M1AC。
在第5圖(a)、(b)中，雖顯示串聯連接2個或3個1行N層之線圈的情形，惟在串聯連接m個1行N層之線圈的情形，線圈的合成電感L0係因m行份的電感與m行間的互感之和，故隨著線圈的合成電感的上昇，線圈整體的感測器輸出值會增加，而能夠良好地進行金屬膜的檢測。
再者，在第5圖(a)、(b)所示之例中，藉由在1行N層之線圈間設置切換開關，即可適當地選定串聯連接之線圈數。因此，根據檢測對象的金屬膜或膜厚，切換檢測線圈63、振盪線圈(激磁線圈)62、平衡線圈(虛設線圈)64的線圈數(行數)，即能夠進行最適當的檢測。例如，在金屬膜之膜厚較薄、或金屬之電阻值較低的情形時，即能夠增加線圈數(行數)。另外，在第5圖(a)、(b)中，在線圈A、線圈b、線圈c等的線圈間，雖亦可無空間(間隙)，惟以設置者為佳。亦可在該空間(間隙)配置低介電係數材質者。
第6圖係顯示習知之渦電流感測器之感測器線圈51及本發明之渦電流感測器之感測器線圈60與半導體晶圓(基板)之位置關係的示意立體圖。如第6圖所示，當將習知之感測器線圈51之檢測端51e及本發明之渦電流感測器的感測器線圈60的檢測端60e配置在相同之高度位置時，本發明之渦電流感測器50的感測器線圈60係與習知之渦電流感測器的感測器線圈51相比較，可更接近半導體晶圓W而配置。
為了獲得感測器之感測度，必須使線圈之匝數增加。習知之螺線管形捲繞之感測器線圈51係將線材ln捲繞在線圈架(包含空芯)，因此成為5行2層(10匝)，感測器線圈51之各線圈73、72、74與半導體晶圓W之間的距離(L1、L2、L3)會變遠。
本發明之感測器線圈60可為非捲繞在線圈架之方式，因此藉由以1行N層捲繞之方式將各線圈62、63、64捲繞成螺旋狀，即可在各線圈之厚度較薄之狀態下使匝數變多。因此，可使感測器線圈60中之各線圈62、63、64與半導體晶圓W之間的距離(L1、L2、L3)接近，因此感測器感測度會變佳。而且，藉由使匝數變多，L成分亦會上昇，且感測度會提升。
在習知之螺線管狀捲繞的方式中，當匝數增加時，線圈諧振頻率會變低，線間之電容成分係成為並聯連接而增加，諧振頻率實際上無法變高，因此無法提高從線圈振盪之頻率。
相對於此，實施本發明之螺旋狀捲繞時，由於為1行N層捲繞，因此線間之電容成分係成為串聯連接而可減少。而且，可使匝數變多，在保持高的L成分之狀態下，諧振頻率會變高，且可使振盪頻率變高。
在第4圖(b)、(c)中，雖例示螺旋狀捲繞之線圈，但除了螺旋狀捲繞之外，即使為其他捲繞方式，只要是1行N層捲繞，亦可獲得同樣之效果。
第7圖至第9圖係顯示1行N層捲繞之感測器線圈之其他捲繞方式的概略圖。
在第7圖所示之例中，藉由以1行N層捲繞之方式將線材ln捲繞成多角形狀，而形成檢測線圈63。如第7圖所示，多角形係可為多角形之角數會隨著從半徑方向內側往半徑方向外側而增加者，亦可為僅由三角形或四角形所構成且多角形之角數為同一者。
在第8圖所示之例中，藉由以1行N層捲繞方式將線材ln捲繞成橢圓形狀，而形成檢測線圈63。
在第9圖所示之例中，藉由以1行N層捲繞方式將印刷配線(printed wiring)PW以螺旋狀施加在預定之基板BP，而形成將導電體ln捲繞成1行N層之型樣線圈所構成的檢測線圈63。另外，將導電體ln捲繞成1行N層之型樣線圈係除了印刷配線之外，能夠藉由蝕刻或線切割等加工來製作金屬構件(Cu膜、Cu箔、Cu材等)。另外，金屬構件係除Cu之外，亦可為AL等其他材質者。
在第7圖至第9圖所示之例中，雖顯示將線材或導電體ln之各種的捲繞方式應用在檢測線圈63之情形，但同樣地亦可應用在振盪線圈62及平衡線圈64。
第10圖係顯示將感測器線圈60之3個線圈62、63、64中之振盪線圈62的形狀形成為凹球面狀之例的概略圖。如第10圖所示，振盪線圈62係為以半徑方向內側朝平衡線圈側凹入且隨著往半徑方向外側而接近檢測線圈側之方式，彎曲成凹球面狀而捲繞線材之線圈。如此，藉由使振盪線圈彎曲成凹球面形狀而形成，即可使振盪磁場收斂在中央部，而可提升感測器感測度。
第11圖係顯示將由高透磁率材料所構成之筒狀構件配置在第4圖(b)所示之感測器線圈的周圍之例的概略圖。如第11圖所示，係作成藉由以高透磁率材料所構成之筒狀構件65包圍感測器線圈60之線圈架61及3個線圈62、63、64之周圍。筒狀構件65係可利用例如磁導率μ=50之高透磁率材料(例如鐵氧體、非晶質、透磁合金、超導磁合金、阿姆科鐵)來製作，藉此相較於感測器線圈之周圍環境為空氣之情形，可使50倍之磁通通過。換言之，相較於設置在陶瓷材料等電性絕緣之絕緣材料之周圍環境內之情形，可使同等之磁通通過1/50之厚度內。
如第11圖所示，藉由在感測器線圈之周圍配置由高透磁率材料所構成之筒狀構件65，則即使在研磨台100由不鏽鋼(SUS)材等導電性材料所製作時，電流供給至配置在筒狀構件65內之感測器線圈60之振盪線圈62而形成的磁通，並不會使渦電流產生在研磨台內而使測量所需之大小的磁通之路徑(磁路)變小，而可採用使有效之渦電流產生在半導體晶圓W之金屬膜的路徑。亦即，筒狀構件65係不會使因感測器線圈60之振盪線圈62所產生的磁通通過研磨台100之導電材的母材內，而發揮作為擴展於半導體晶圓W側之檢測空間內的路徑之功能，該磁通係可使大的渦電流產生在測量對象之金屬膜(或導電性膜)mf內。因此，即使研磨台100由不鏽鋼(SUS)等導電性材料所製作時，亦可確保與藉由SiC等陶瓷材料(絕緣材料)製作時同樣之感測度。
第12圖係顯示對於渦電流感測器50之感測器線圈60的3個線圈62、63、64組合螺線管狀捲繞與螺旋狀捲繞之例的概略圖。藉由以1行N層將檢測線圈63作成為螺旋狀捲繞，即可使檢測線圈63接近晶圓，且線間之電容成分會因成為串聯連接而可減小等理由可使檢測線圈63之性能提升。因此，檢測線圈63之感測度會提升，如第12圖所示，即使振盪線圈62為習知之螺線管狀捲繞，感測度亦會比習知之感測器良好。振盪線圈62亦可將以N行1層螺線管狀捲繞線材或導電體ln之線圈作成為M層而構成。其中，M為2以上之整數。將N行1層之線圈作成為M層時，當各線圈彼此接觸時，電容成分會增加，因此較佳為將N行1層的線圈在層方向(相對於基板之平行方向)排列M個，且在鄰接之線圈間空出間隙。此外，亦可在該間隙設置透磁率低之材料。此外，平衡線圈64係構成檢測線圈63及橋接電路(後述)，因此兩線圈63、64較佳為使用同一特性者。因此，如第12圖所示，平衡線圈64係採用螺旋狀捲繞。
接著，針對藉由縮小線圈的大小(直徑)而能進行金屬膜之微細的檢測的實施形態進行說明。
第13圖係顯示改變檢測線圈63、振盪線圈(激磁線圈)62、平衡線圈(虛設線圈)64之直徑(外徑)之實施形態的概略圖。如於第13圖所示，檢測線圈63、振盪線圈62、平衡線圈64之直徑(外徑)並不須為相同者，振盪線圈62、與檢測線圈63及平衡線圈64的直徑亦可為相異。在第13圖所示之例中，藉由使檢測線圈63與平衡線圈64的直徑小於振盪線圈62的直徑，而縮小感測器的檢測端的大小。藉此，能夠進行目標之金屬膜之微細的檢測。
就縮小線圈之直徑的手段而言，可考慮減少匝數、及縮小線材直徑(型樣寬度)、線材(型樣)間距離。
因為當縮小線圈時感測器輸出會變小，故在構造上，雖將導致必須增大振盪線圈(激磁線圈)、或設為多段，惟藉由提高振盪頻率或提升激磁電流亦可改善輸出。
第4圖至第9圖所示之螺旋狀捲繞、多角形捲繞、橢圓捲繞等1行N層捲繞之檢測線圈，係使該檢測線圈與電容器並聯連接而構成柯匹子電路(Colpitts circuit)，亦可利用在從具有激磁、檢測功能之激磁頻率之頻率變化檢測出研磨終點的感測器。
第14圖係顯示將渦電流感測器50之感測器線圈60的3個線圈62、63、64配置成同心圓狀之例的概略圖。
如第14圖所示，渦電流感測器50之感測器線圈60的3個線圈62、63、64係配置成同心圓狀。3個線圈62、63、64中，檢測線圈63係配置在最外周，線圈62係配置在中間部，平衡線圈64係配置在最內周。3個線圈62、63、64皆係以1行N層捲繞方式將線材或導電體ln分別捲繞成螺旋狀的線圈，且能以印刷配線(printed wiring)一體地形成。
依據第14圖所示之將3個線圈62、63、64配置成同心圓狀之感測器線圈，可使感測器線圈整體接近第6圖所示之距半導體晶圓(基板)W之距離L1的位置而配置，且感測器感測度會變佳。
第15圖係顯示感測器線圈之各線圈之連接例的概略圖。如第15圖(a)所示，線圈62、63、64係以1行N層由螺旋狀捲繞之線圈所形成，檢測線圈63與平衡線圈64係彼此逆相地連接。
檢測線圈63與平衡線圈64係如上所述構成逆相之串聯電路，其兩端係連接在包含可變電阻76之電阻橋接電路77。振盪線圈62係連接在交流信號源52，由於產生交流(alternating)磁通，因此在配置於附近之金屬膜(或導電性膜)mf形成渦電流。藉由調整可變電阻76之電阻值，可將由線圈73、74所構成之串聯電路的輸出電壓調整成在不存在金屬膜(或導電性膜)時成為0。以分別並聯連接於線圈63、64的可變電阻76(VR1、VR2)將L1、L3之信號調整為同相位。亦即，在第15圖(b)之等效電路中，調整可變電阻VR1(=VR1-1+VR1-2)及VR2(=VR2-1+VR2-2)，俾成為：VR1-1×(VR2-2+jωL3)=VR1-2×(VR2-1+jωL1)　…(1)藉此，如第15圖(c)所示，將調整前之L1、L3之信號(以圖中虛線顯示)設為同相位/同振幅之信號(以圖中實線顯示)。
而且，在金屬膜(或導電性膜)存在於檢測線圈63之附近時，因形成在金屬膜(或導電性膜)中之渦電流而產生的磁通雖會與檢測線圈63與平衡線圈64交鏈，但由於檢測線圈63係配置在接近金屬膜(或導電性膜)之位置，因此在兩線圈63、64所產生之感應電壓會失去均衡，藉此即可檢測出由金屬膜(或導電性膜)之渦電流所形成之交鏈磁通。亦即，從連接在交流信號源之振盪線圈62，將檢測線圈63與平衡線圈64之串聯電路予以分離，以電阻橋接電路進行平衡之調整，藉此可進行零點之調整。因此，由於可從零之狀態檢測出流通於金屬膜(或導電性膜)之渦電流，而可提高金屬膜(或導電性膜)中之渦電流的檢測感測度。藉此，可在寬廣的動態範圍進行形成在金屬膜(或導電性膜)之渦電流的大小之檢測。
第16圖係顯示渦電流感測器之同步檢波電路的方塊圖。
第16圖係顯示從交流信號源52側觀看感測器線圈60側之阻抗Z的計測電路例。在第16圖所示之阻抗Z計測電路中，可取出隨著膜厚之變化產生的電阻成分(R)、電抗成分(X)、振幅輸出(Z)及相位輸出(tan-1R/X)。
如上所述，對配置於成膜有檢測對象之金屬膜(或導電性膜)mf之半導體晶圓W附近的感測器線圈60供給交流信號的信號源52係為由水晶振盪器所構成之固定頻率的振盪器，且供給例如2MHz、8MHz之固定頻率的電壓。由信號源52形成之交流電壓係經由帶通濾波器82供給至感測器線圈60。由感測器線圈60之端子所檢測之信號係經由高頻放大器83及相位移位電路84，藉由以cos同步檢波電路85及sin同步檢波電路86所構成之同步檢波部取出檢測信號之cos成分及sin成分。在此，由信號源52所形成之振盪信號係由相位移位電路84形成有信號源52之同相成分(0°)及正交成分(90°)之2種信號，且分別導入至cos同步檢波電路85及sin同步檢波電路86，以進行上述之同步檢波。
經同步檢波之信號係藉由低通濾波器87、88去除信號成分以上之不要的高頻成分，並分別取出屬於cos同步檢波輸出之電阻成分(R)輸出、及屬於sin同步檢波輸出的電抗成分(X)輸出。再者，藉由向量演算電路89，由電阻成分(R)輸出與電抗成分(X)輸出獲得振幅輸出(R2+X2)1/2。再者，藉由向量演算電路90可同樣地由電阻成分輸出與電抗成分輸出獲得相位輸出(tan-1R/X)。在此，在測定裝置本體設置有用以去除感測器信號之雜訊成分的各種濾波器。各種濾波器係設定有對應於各者之截止頻率(cut-off frequency)，例如將低通濾波器之截止頻率設定在0.1至10Hz之範圍，藉此即可去除研磨中之混雜在感測信號的雜訊成分，而高精密度地對測定對象之金屬膜(或導電性膜)進行測定。
第17圖係顯示具備渦電流感測器50之研磨裝置之主要部分構成的圖，第17圖(a)係顯示包含渦電流感測器50之控制部之整體構成的圖，第17圖(b)係渦電流感測器部分之放大剖視圖。如第17圖(a)所示，研磨裝置之研磨台110係如箭頭所示，可繞著其軸心旋轉。在該研磨台110內埋設有包含交流信號源及同步檢波電路的前置放大器一體型之感測器線圈60。感測器線圈60之連接纜線係通過研磨台110之纜線軸100a內，並經由設置在纜線軸100a之軸端的旋轉接頭150，藉由纜線並透過主放大器55連接在控制裝置(控制器)56。此外，感測器線圈60亦有一體地裝設主放大器55之情形。
在此，控制裝置56係設有用以去除感測器信號之雜訊成分的各種濾波器。各種濾波器係設定有對應於各者之截止頻率，例如將低通濾波器之截止頻率設定在0.1至10Hz之範圍，藉此即可去除研磨中混雜在感測信號的雜訊成分，而高精密度地對測定對象之金屬膜(或導電性膜)進行測定。
如第17圖(b)所示，在埋設於研磨台100之渦電流感測器50的研磨墊側之端面具有四氟化乙烯樹脂等氟系樹脂的塗層C，因此在剝離研磨墊時，不會使渦電流感測器與研磨墊一起被剝離。再者，渦電流感測器之研磨墊側的端面係設置在從研磨墊110附近之以SiC等材料構成的研磨台100之面(研磨墊側之面)凹陷0至0.05mm之位置，以防止研磨時與晶圓接觸。該研磨台面與渦電流感測器面之位置的差係儘可能越小越好，但在實際之裝置中，大多設定為0.02mm左右。再者，其位置調整係採用以墊片(薄板)151n進行之調整及以螺絲所進行之調整手段。
在此，連接感測器線圈60與控制裝置56之旋轉接頭150雖亦可在旋轉部傳送信號，但傳送之信號線數有所限制。由此，連接之信號線係限制在8條，且僅限於DC電壓源、輸出信號線及各種控制信號之傳送線。再者，該感測器線圈60之振盪頻率係可從2MHz切換至8MHz，前置放大器之增益亦可依研磨對象之膜質來切換。
接著，說明在具備如第1圖至第17圖所示構成之渦電流感測器之研磨裝置中，檢測出研磨中之半導體晶圓上之金屬膜(或導電性膜)而進行監視之方法。
第18圖(a)係顯示渦電流感測器50掃描(scan)半導體晶圓W之表面(被研磨面)時之軌跡與渦電流感測器50之輸出的關係。如第18圖(a)所示，渦電流感測器50係在隨著研磨台100之旋轉而通過半導體晶圓W之下方的期間，回應於半導體晶圓W之金屬膜(或導電性膜)mf而輸出預定之電壓值(V)。
第18圖(b)係顯示正常之半導體晶圓W時之渦電流感測器50之輸出的圖。在第18圖(b)中，橫軸係研磨時間(t)，縱軸係渦電流感測器50之輸出值(電壓值)(V)。如第18圖(b)所示，在正常之半導體晶圓W時，渦電流感測器50係可獲得回應於半導體晶圓上之金屬膜(或導電性膜)mf之概略方形脈衝狀的輸出(電壓值)。
第19圖(a)係顯示開始半導體晶圓W之研磨後至半導體晶圓W上之金屬膜(或導電性膜)mf被去除(消失)為止之研磨步驟與渦電流感測器50之輸出之關係的圖。如第19圖(a)所示，在半導體晶圓W之剛開始研磨後，由於金屬膜(或導電性膜)mf較厚，因此渦電流感測器50之輸出會變高，但隨著研磨之進行，金屬膜mf會變薄，因此渦電流感測器50之輸出會降低。再者，當金屬膜mf被去除(消失)時，渦電流感測器50之輸出成為0。
第19圖(b)係顯示開始半導體晶圓之研磨後至半導體晶圓上之金屬膜(或導電性膜)mf被去除(消失)為止之研磨時間(t)與渦電流感測器之輸出值的變化之關係的圖。當研磨台100旋轉1次，而渦電流感測器50掃描(scan)半導體晶圓W之表面(被研磨面)時，渦電流感測器50係送出大致方形脈衝狀的輸出。控制裝置56(參照第17圖)係在渦電流感測器50每進行一次半導體晶圓W之表面的掃描時，將通過軌跡(掃描線)上之各測定點的輸出值予以平均後之平均值作為輸出值予以輸出。控制裝置56係在研磨台100每進行1次旋轉時監視作為渦電流感測器50之各測定點之平均值的輸出值，且持續進行監視直到渦電流感測器50之輸出值消失為止。
第19圖(b)係顯示渦電流感測器之輸出值(平均值)因研磨時間所致之變化。如第19圖(b)所示，藉由進行渦電流感測器50之輸出值的監視，即可檢測出金屬膜同樣地被去除的狀態。
第20圖係顯示半導體晶圓W上之金屬膜(或導電性膜)之研磨步驟及監視步驟之順序的流程圖。
如第20圖所示，研磨裝置係從晶圓匣盒取出半導體晶圓W並交付至頂環1，藉由頂環1將半導體晶圓W推壓至研磨台100上之研磨面101a而開始研磨。在開始進行研磨後，控制裝置56係監視渦電流感測器50之輸出值，且繼續進行研磨直到檢出研磨終點為止，且繼續進行渦電流感測器50之輸出值的監視步驟。研磨終點之檢出係檢測出渦電流感測器50之輸出值成為金屬膜去除等級，且檢測出在半導體晶圓W上同樣地無金屬殘膜。檢測出研磨終點後，不使半導體晶圓W與研磨面(研磨墊)分離，而移行至殘膜監視。
殘膜監視係藉由任意地選擇以下之方法來進行。
(1)渦電流感測器之感測器感測度的切換
(2)監視手段之切換
關於上述(1)與(2)之殘膜監視方法將於後文敘述。
接著，將由殘膜監視所得之資訊傳達至用以控制CMP整體程序的控制裝置(程序控制器(未圖示))。並且，用以控制CMP整體程序的控制裝置(程序控制器)係可為包含前述控制裝置56之單一的控制裝置，亦可為與控制裝置56不同之控制裝置。控制裝置(程序控制器)係依據殘膜監視之資訊來判定是否需要實施追加研磨。並且，在判定為需要實施追加研磨時，即實施追加研磨，並進行殘膜監視，在確認無殘膜後，移行至洗淨程序。另一方面，判定為CMP製程有異常時，則不實施追加研磨，在進行研磨輪廓(profile)異常通知後，移行至洗淨程序。洗淨程序係在從頂環1取出研磨完成之半導體晶圓後，藉由研磨裝置內之洗淨機進行洗滌洗淨、純水洗淨、乾燥等。再者，在洗淨程序結束後，將研磨完成之半導體晶圓W回收至晶圓匣盒。
接著，更進一步說明第20圖所示之流程圖之殘膜監視及追加研磨。
殘膜監視係在晶圓之主研磨處理後的水拋光中或過度拋光中實施。在此，水拋光係指一面將純水(水)供給至研磨面，一面使施加於晶圓之面壓減小，以進行拋光之方法。過度拋光係指在檢測出特徵點後一面將漿料供給至研磨面，一面進行拋光之方法。
殘膜監視係採用以下方法。
(1)提升以金屬薄膜檢出為目的之感測器感測度來實施的方法。
(2)為了檢測出局部性之殘膜而將進行監視之範圍從點數據之集積值的平均改成依點資料進行檢測的方法。
就殘膜監視方法而言，係任意地組合(1)、(2)來實施。此時，藉由組合(1)與(2)之方法，可檢測局部之金屬薄膜。
再者，檢測出殘膜時之追加研磨係如以下方式進行。
就追加研磨之實施手段而言，在過度拋光中檢測出殘膜時，變更過度拋光之研磨時間。此外，藉由殘膜監視在晶圓之特定部位檢測出有殘膜時，使檢測出之特定部位的頂環的壓力變化，藉此進行追加研磨，或以專用之研磨條件進行追加研磨。追加研磨條件係回授至研磨下一個半導體晶圓W以後之際的研磨條件。
接著，說明上述殘膜監視方法中之提升以金屬薄膜檢測為目的之感測器感測度來實施的方法。
在僅使用從研磨開始至目標之金屬膜去除為止具有預定感測度的感測器(感測器A)時，在目標之金屬膜變薄時或金屬膜之面積變小時，難以進行金屬膜之檢測。另一方面，僅使用薄膜用之感測器(感測器B)來進行研磨終點之檢測時，在初期金屬膜較厚之情形下，由於輸出會成為超出範圍(測定範圍外)，因此無法監視研磨步驟。
因此，在本發明中，使用感測度不同之2個感測器A、B，從研磨開始至感測器A之感測度成為0為止監視輸出，在實施研磨終點之檢測後，切換成感測器B，以確認在晶圓上無金屬殘膜。此時，感測器A係採用具備第4圖(a)所示之螺線管狀捲繞之3個線圈72、73、74的渦電流感測器，感測器B係採用具備第4圖(b)所示之螺旋狀捲繞之3個線圈62、63、64的渦電流感測器。藉此，可將感測器A設為感測器感測度低之感測器，將感測器B設為感測器感測度高之感測器。
使用具備第4圖(b)、第7圖、第8圖、第9圖所示之螺旋狀捲繞、多角形捲繞、橢圓捲繞等1行N層捲繞之3個線圈62、63、64的1個渦電流感測器來切換線圈之匝數，亦可構成感測度不同之2個感測器A及感測器B。
第21圖(a)、(b)係顯示利用具備螺旋狀捲繞之3個線圈之渦電流感測器切換線圈之匝數而構成感測度不同之2個感測器A、B的方法之示意俯視圖。在第21圖(a)、(b)中雖顯示切換檢測線圈63之匝數之方法，但在振盪線圈62及平衡線圈64之情形亦為同樣之切換方法。
如第21圖(a)所示，設置有用來對螺旋狀捲繞之檢測線圈63通電的輸入端子T1、T2，輸入端子T1係連接在檢測線圈63之外周側端部63oe，輸入端子T2係連接在切換開關SW。另一方面，檢測線圈63之內周側端部63ie係連接在切換用端子TS1，檢測線圈63之中間部63m1、63m2係分別連接在切換用端子TS2、TS3。
如第21圖(b)所示，設置有用來對螺旋狀捲繞之檢測線圈63通電的輸入端子T1、T2，輸入端子T1係連接在檢測線圈63之內周側端部63ie，輸入端子T2係連接在切換開關SW。另一方面，檢測線圈63之外周側端部63oe係連接在切換用端子TS1，檢測線圈63之中間部63m1、63m2係分別連接在切換用端子TS2、TS3。
在如第21圖(a)、(b)所示構成之檢測線圈63中，藉由將切換開關SW連接在切換用端子TS1，即可從輸入端子T1、T2在檢測線圈63之內周側端部63ie與外周側端部63oe之間通電，且線圈之匝數成為最大。此外，藉由將切換開關SW連接在切換用端子TS2或TS3，即可從輸入端子T1、T2在檢測線圈63之中間部63m1或63m2與外周側端部63oe(或內周側端部63ie)之間通電，且線圈之匝數會變少。如此，藉由使線圈之匝數以2階段或3階段變化，即可改變感測器感測度，且藉由使用單一之檢測線圈63而切換線圈之匝數，即可構成感測器A及感測器B。
此外，如第12圖所示，亦可使用具有將檢測線圈63及平衡線圈64作成為螺旋狀捲繞，且以螺線管狀捲繞構成振盪線圈62之感測器線圈60的渦電流感測器作為感測器A，並使用具備第4圖(b)所示之螺旋狀捲繞之3個線圈62、63、64的渦電流感測器作為感測器B。
第22圖係顯示在提升以金屬薄膜檢測為目的之感測器感測度來實施的方法中進行感測器之切換之時序的示意圖。如第22圖所示，在半導體晶圓W之研磨開始時，由於金屬膜(或導電性膜)mf較厚，因此感測器A之輸出會變高，但隨著研磨之進行，金屬膜mf會變薄，因此感測器A之輸出會降低。而且，當成為「晶圓中心部金屬膜去除/在晶圓端部有金屬殘膜」之狀態時，感測器A係成為無感測器感測度的狀態。因此，感測器A係實施研磨終點之檢測。在感測器A實施研磨終點之檢測後，進行切換成感測器B。感測器B係設定為比感測器A之感測度高，因此晶圓端部側之輸出值會山形狀地變大，可檢測出「晶圓中心部金屬膜去除/在晶圓端部有金屬殘膜」之狀態。
接著，說明上述殘膜監視方法中之以晶圓上之局部性殘膜之檢測為目的而變更監視手法的方法。
為了取得殘膜產生位置、殘膜之大小/膜厚所相關之資訊，係從使用於研磨終點之檢測之藉由將以一次掃描所得之所有測定點之數據予以平均後的輸出值所進行之監視，切換成藉由各測定點之輸出值所進行的監視。殘膜之位置未遍及全周而是局部時，在殘膜通過感測器之軌跡上的情形下，輸出值會變化。由該輸出值之變化可掌握與晶圓之端部(或中心)之距離。此時，藉由切換感測器感測度，亦可進行金屬薄膜之監視。
第23圖係顯示以晶圓上之局部殘膜之檢測為目的而變更監視手法的方法圖。第23圖(a)係顯示利用將由1次之掃描所得之感測器軌跡上之所有測定點之數據予以平均後之輸出值的監視手法，第23圖(b)係顯示利用將由1次之掃描所得之感測器軌跡上之各測定點之輸出值的監視手法，第23圖(c)係顯示從第23圖(a)所示之監視手法切換成第23圖(b)所示之監視手法之情形的曲線圖。在第23圖(c)中，橫軸係研磨時間(t)，縱軸係渦電流感測器之輸出值。
如第23圖(a)所示，每當渦電流感測器50對半導體晶圓W之表面進行1次掃描時，利用將在所有測定點中經測定之數據予以平均後的輸出值進行監視。如第23圖(c)所示，藉由監視將在感測器A之軌跡上的所有測定點之數據予以平均後的輸出值，而進行研磨終點之檢測。在藉由感測器A檢測出研磨終點的時間點，成為金屬膜去除等級。此時，局部性面積小的金屬薄膜由於其部分之輸出值被平均化處理，因此無法檢測出。
因此，在檢測出研磨終點後，進行切換成感測度高之感測器B。如第23圖(b)所示，感測器B係每當感測器對半導體晶圓之表面進行1次掃描時，輸出在各測定點中所測定之輸出值。因此，在產生殘膜時，感測器B之輸出值係如第23圖(b)之下部所示成為山形狀的輸出值，而可進行金屬薄膜之檢測。再者，亦可掌握產生殘膜之部位。亦即，如第23圖(c)所示，藉由在感測器A之監視經平均化處理的輸出值以檢測出研磨終點後，切換成感測度高之感測器B，並由感測器B監視未經平均化處理之各測定值的輸出值，而可檢測出局部性面積為小之殘膜的發生。
第24圖係顯示在藉由監視由感測器B所得之各測定值之輸出值而檢測出局部性殘膜之發生時，是否受到位於晶圓之下層之金屬配線等之影響的圖，第24圖(a)係顯示未受到晶圓之下層之影響的情形，第24圖(b)顯示受到位於晶圓之下層之金屬配線等之影響的情形。
如上所述，藉由使用感測器A，並將通過晶圓面內之感測器之軌跡上的輸出予以平均化，即可避免位於金屬膜之下層的金屬配線之影響。另一方面，由於感測器B係輸出在各測定點中經測定之輸出值，因此如第24圖(a)所示，藉由監視感測器B之未平均化處理的各測定值之輸出值，即可檢測出局部性面積為小之殘膜的產生。然而，感測器B之輸出值係各測定點之輸出值，因此會有受到位於金屬膜之下層的金屬配線等之影響的可能性。因此，如第24圖(b)所示，當輸出上昇之點多時，判斷為並非殘膜，而係受到晶圓之下層的影響。
接著，針對在第20圖所示之流程圖中之殘膜監視中檢測出殘膜時，可選擇以CMP實施追加研磨之情形與通知研磨輪廓之異常之情形的方式之點加以說明。
在殘膜監視中檢測出殘膜時，通常係實施追加研磨，以去除金屬薄膜。然而，由於在藉由追加研磨而確保了晶圓之平坦性時亦會有對CMP之製程帶來異常之情形，因此設成可對研磨裝置之控制裝置通知研磨輪廓之異常。
接著，說明渦電流感測器50掃描半導體晶圓之表面時之軌跡(掃描線)。
在本發明中，調整頂環1與研磨台100之旋轉速度比，以使渦電流感測器50在預定時間內(例如移動平均時間內)掃描在半導體晶圓W上之軌跡係遍及半導體晶圓W之表面全周而大致均等地分佈。
第25圖係顯示渦電流感測器50掃描半導體晶圓W上之軌跡的示意圖。如第25圖所示，渦電流感測器50係在研磨台100每進行1次旋轉時，掃描半導體晶圓W之表面(被研磨面)，而當研磨台100旋轉時，渦電流感測器50係大致描著通過半導體晶圓W之中心Cw(頂環軸111之中心)的軌跡而掃描半導體晶圓W之被研磨面上。藉由使頂環1之旋轉速度與研磨台100之旋轉速度不同，如第25圖所示，半導體晶圓W之表面中之渦電流感測器50之軌跡係隨著研磨台100之旋轉變化為掃描線SL1、SL2、SL3。即使在此情形下，如上所述，由於渦電流感測器50係配置在通過半導體晶圓W之中心Cw的位置，因此渦電流感測器50所掃描之軌跡係每次通過半導體晶圓W之中心Cw。
第26圖係在將研磨台100之旋轉速度設為70min-1、將頂環1之旋轉速度設為77min-1，在移動平均時間(在本例中為5秒)內渦電流感測器所描繪之半導體晶圓上之軌跡的示意圖。如第26圖所示，在該條件下，研磨台100每旋轉1次，渦電流感測器50之軌跡即旋轉36度，因此每進行5次掃描，感測器軌跡即於半導體晶圓W上旋轉達半圈。若亦考慮到感測器軌跡之彎曲時，藉由渦電流感測器50在移動平均時間內對半導體晶圓W進行6次掃描，渦電流感測器50即形成大致均等地對半導體晶圓W上進行全面掃描。
在上述例中，雖顯示頂環1之旋轉速度比研磨台100之旋轉速度快之情形，但即使在頂環1之旋轉速度比研磨台100之旋轉速度慢(例如研磨台100之旋轉速度為70min-1、頂環1之旋轉速度為63min-1)時，感測器軌跡亦僅朝反方向旋轉，就使渦電流感測器50在預定時間內描繪在半導體晶圓W之表面的軌跡係遍及半導體晶圓W之表面全周而分佈之點而言係與上述例相同。
再者，在上述之例中，雖係說明頂環1與研磨台100之旋轉速度比接近1之情形，但旋轉速度比接近0.5、1.5、2等(0.5之倍數)時亦同。亦即，頂環1與研磨台100之旋轉速度比為0.5時，研磨台100每旋轉1次，感測器軌跡即旋轉180度，從半導體晶圓W來看，渦電流感測器50係於每旋轉1次，即從反方向移動於同一軌跡上。
因此，使頂環1與研磨台100之旋轉速度比從0.5略變動(例如將頂環1之旋轉速度設為36min-1，將研磨台100之旋轉速度設為70min-1)，使研磨台100每旋轉1次時感測器軌跡旋轉(180+α)度，即可使感測器軌跡看起來像偏離α度。因此，即可設定α(亦即設定頂環1與研磨台100之旋轉速度比)，以使感測器軌跡在移動平均時間內於半導體晶圓W之表面上旋轉達約0.5次、或約N次、或約0.5+N次(換言之，為0.5之倍數，亦即0.5×N次(N為自然數))。
使渦電流感測器50在移動平均時間內描繪於半導體晶圓W之表面的軌跡遍及全周而大致均等地分佈，係在亦考慮移動平均時間之調整時可在廣範圍內選擇旋轉速度比。因此，亦可對應必須依據研磨液(漿料)之特性等大幅改變頂環1與研磨台100之旋轉速度比的研磨製程。
然而，一般而言，除了頂環1之旋轉速度剛好為研磨台100之旋轉速度的一半之情形以外，渦電流感測器50描繪於半導體晶圓W上的軌跡係如第26圖所示彎曲。因此，即使渦電流感測器50在預定時間內(例如移動平均時間內)描繪在半導體晶圓W上之軌跡遍及半導體晶圓W之全周而分佈，嚴格來說，感測器軌跡也未必在圓周方向均等分佈。為了使感測器軌跡在半導體晶圓W之圓周方向嚴密地均等分佈，必須使感測器軌跡在每預定時間於半導體晶圓W之圓周上剛好旋轉達N次(N為自然數)。在此期間，渦電流感測器50係遍及全周朝在圓周方向均等之方向/方位對半導體晶圓W之表面進行掃描。為了實現上述掃描，只要設定研磨台100與頂環1之旋轉速度，俾在例如研磨台100旋轉達預定次數(自然數)之期間使頂環1剛好旋轉達與研磨台100之旋轉次數不同的次數(自然數)即可。此時，由於感測器軌跡係如上所述彎曲，亦難謂感測器軌跡會於圓周方向等間隔地分佈，但若以各2條成對來考量感測器軌跡，則可視為感測器軌跡係在任意之半徑位置於圓周方向均等地分佈。第27圖係顯示上述情形之例，且為用以顯示在與第26圖相同之條件下研磨台100旋轉10次之期間的半導體晶圓W上之感測器軌跡的圖。由此，渦電流感測器50係可取得比上述之例更能平均地反映整個半導體晶圓W的數據。
第28圖係顯示具備可適合使用於本發明之研磨裝置中之複數個壓力室之示意剖視圖。頂環1係具有抵接於半導體晶圓W之圓形的彈性墊142、及保持彈性墊142之夾持板144。彈性墊142之上周端部係保持在夾持板144，而在彈性墊142與夾持板144之間設置有4個壓力室(氣囊)P1、P2、P3、P4。在壓力室P1、P2、P3、P4，分別經由流體路152、153、154、155供給有加壓空氣等加壓流體，或經真空抽吸。中央之壓力室P1係呈圓形，其他壓力室P2、P3、P4係呈環狀。該等壓力室P1、P2、P3、P4係排列在同心上。
壓力室P1、P2、P3、P4之內部壓力係可藉由未圖示之壓力調整部而使之彼此獨立地變化，藉此可獨立地調整對於半導體晶圓W之4個區域(亦即中央部、內側中間部、外側中間部及周緣部)的推壓力。在此例中，壓力室P1、P2、P3、P4係構成彼此獨立地推壓半導體晶圓W之推壓機構。研磨中之半導體晶圓W的金屬膜(或導電性膜)mf之膜厚係藉由設置在研磨台100之渦電流感測器50(參照第1圖)所測定，藉由控制裝置56(參照第17圖)取得半導體晶圓W之直徑方向的膜厚分布。控制裝置56係依據膜厚分佈控制壓力室P1、P2、P3、P4之內部壓力，例如半導體晶圓W上之金屬膜(或導電性膜)mf的中央部之膜厚比周緣部之膜厚更厚時，使壓力室P1之壓力比壓力室P4的壓力更高，且使金屬膜(或導電性膜)mf的中央部之研磨壓力比周緣部之研磨壓力更大，以進行研磨，而達成所希望之研磨輪廓。
以上雖針對本發明之實施形態進行說明，但本發明並不限定於上述實施形態，當然亦可在本發明之技術思想的範圍內以各種不同之形態來實施。
1．．．頂環
2．．．頂環本體
3．．．保持環
50．．．渦電流感測器
51．．．感測器線圈
52．．．交流信號源
54．．．檢波電路
55．．．主放大器
56．．．控制裝置(控制器)
60．．．感測器線圈
61．．．線圈架
62．．．振盪線圈
63．．．檢測線圈
64．．．平衡線圈
65．．．筒狀構件
71．．．線圈架
72、73、74．．．線圈
76．．．可變電阻
77．．．電阻橋接電路
82．．．帶通濾波器
83．．．高頻放大器
84．．．相位移位電路
85．．．cos同步檢波電路
86．．．sin同步檢波電路
87、88．．．低通濾波器
89．．．向量演算電路
100．．．研磨台
100a．．．台軸
101．．．研磨墊
101a．．．研磨面
102．．．研磨液供給噴嘴
110．．．頂環頭
111．．．頂環軸
112．．．旋轉筒
113、116．．．定時皮帶輪
114．．．頂環用馬達
115．．．定時皮帶
117．．．頂環頭軸
124．．．上下移動機構
125．．．旋轉接頭
126．．．軸承
128．．．橋接件
129．．．支持台
130．．．支柱
132．．．滾珠螺桿
132a．．．螺桿軸
132b．．．螺帽
138．．．AC伺服馬達
142．．．彈性墊
144．．．夾持板
150．．．旋轉接頭
151m．．．墊片(薄板)
152、153、154、155．．．流體路
ln．．．線材
mf．．．金屬膜(或導電性膜)
P1、P2、P3、P4．．．壓力室
Q．．．研磨液
S1、S2．．．間隔件
SL1、SL2、SL3．．．掃描線
TS1．．．端子
TS2、TS3．．．端子
W．．．半導體晶圓
第1圖係顯示本發明之研磨裝置之整體構成的概略圖。
第2圖係顯示研磨台與渦電流感測器與半導體晶圓之關係的俯視圖。
第3圖係顯示渦電流感測器之構成圖，第3圖(a)係顯示渦電流感測器之構成的方塊圖，第3圖(b)係渦電流感測器之等效電路圖。
第4圖(a)至(c)係顯示比較習知之渦電流感測器之感測器感線圈與本發明之渦電流感測器之感測器線圈的圖，第4圖(a)係顯示習知之渦電流感測器所使用之感測器線圈之構成例的概略圖，第4圖(b)係顯示本發明之渦電流感測器之感測器線圈之構成例的概略圖，第4圖(c)係顯示本發明之渦電流感測器之檢測線圈之示意俯視圖。
第5圖(a)及(b)係顯示串聯連接m個1行N層之線圈之態樣的示意圖。
第6圖係顯示習知之渦電流感測器之感測器線圈及本發明之渦電流感測器之感測器線圈與半導體晶圓(基板)之位置關係的示意立體圖。
第7圖係顯示感測器線圈之其他捲繞方式的概略圖。
第8圖係顯示感測器線圈之其他捲繞方式的概略圖。
第9圖係顯示感測器線圈之其他捲繞方式的概略圖。
第10圖係顯示將振盪線圈之形狀形成為凹球面狀之例的概略圖。
第11圖係顯示將由高透磁率材料所構成之筒狀構件配置在第4圖(b)所示之感測器線圈的周圍之例的概略圖。
第12圖係顯示對於渦電流感測器之感測器線圈的3個線圈組合螺線管狀捲繞與螺旋狀捲繞之例的概略圖。
第13圖係顯示改變檢測線圈、振盪線圈(激磁線圈)、平衡線圈(虛設線圈)之直徑之實施形態的概略圖。
第14圖係顯示將渦電流感測器之感測器線圈的3個線圈配置成同心圓狀之例的概略圖。
第15圖(a)至(c)係顯示感測器線圈之各線圈之連接例的概略圖。
第16圖係顯示渦電流感測器之同步檢波電路的方塊圖。
第17圖係顯示具備渦電流感測器之研磨裝置之主要構成的圖，第17圖(a)係顯示包含渦電流感測器之控制部之整體構成的圖，第17圖(b)係渦電流感測器部分之放大剖視圖。
第18圖(a)係顯示渦電流感測器掃描(Scan)半導體晶圓之表面(被研磨面)時之軌跡與渦電流感測器之輸出之關係的圖，第18圖(b)係顯示正常之半導體晶圓時之渦電流感測器的輸出之圖。
第19圖(a)係顯示開始半導體晶圓之研磨後至半導體晶圓上之金屬膜(或導電性膜)被去除(消失)為止之研磨步驟與渦電流感測器之輸出之關係的圖，第19圖(b)係顯示開始半導體晶圓之研磨後至半導體晶圓上之金屬膜(或導電性膜)被去除(消失)為止之研磨時間(t)與渦電流感測器之輸出值的變化之關係的圖。
第20圖係顯示半導體晶圓上之金屬膜(或導電性膜)之研磨步驟及監視步驟之順序的流程圖。
第21圖(a)及(b)係顯示利用具備螺旋狀捲繞之3個線圈之渦電流感測器切換線圈之匝數而構成感測度不同之2個感測器的方法之示意俯視圖。
第22圖係顯示在以金屬薄膜檢測為目的而提升感測器感測度而實施之方法中進行感測器之切換之時序的示意圖。
第23圖係顯示以晶圓上之局部殘膜之檢測為目的而變更監視手法的圖，第23圖(a)係顯示利用將由1次之掃描所得之感測器軌跡上之所有測定點之資料予以平均之輸出值的監視手法，第23圖(b)係顯示利用將由1次之掃描所得之感測器軌跡上之各測定點之輸出值的監視手法，第23圖(c)係顯示從第23圖(a)所示之監視手法切換成第23圖(b)所示之監視手法之情形的曲線圖。
第24圖係顯示在藉由監視由渦電流感測器所得之各測定值之輸出值而檢測出局部性殘膜之發生時，關於位於晶圓之下層之金屬配線等之影響的圖，第24圖(a)係顯示未受到晶圓之下層之影響的情形，第24圖(b)係顯示受到位於晶圓之下層之金屬配線等之影響的情形。
第25圖係顯示渦電流感測器掃描半導體晶圓上之軌跡的示意圖。
第26圖係顯示渦電流感測器掃描半導體晶圓上之軌跡的示意圖。
第27圖係顯示渦電流感測器掃描半導體晶圓上之軌跡的示意圖。
第28圖係顯示具備可適合使用於本發明之研磨裝置中之複數個壓力室的頂環之示意剖視圖。
50．．．渦電流感測器
51．．．感測器線圈
60．．．感測器線圈
61．．．線圈架
62．．．振盪線圈
63．．．檢測線圈
64．．．平衡線圈
71．．．線圈架
72、73、74．．．線圈
S1、S2．．．間隔件

Claims (30)

  1. 一種渦電流感測器，係具備：感測器線圈，配置在形成有金屬膜或導電性膜之基板的附近；信號源，將交流信號供給至該感測器線圈而在前述金屬膜或導電性膜形成渦電流；及檢測電路，依據前述感測器線圈之輸出檢測出形成在前述金屬膜或導電性膜之渦電流；該渦電流感測器之特徵為：前述感測器線圈係具有：振盪線圈，連接在前述信號源；檢測線圈，用以檢測形成在前述金屬膜或導電性膜之渦電流；及平衡線圈，與該檢測線圈串聯連接；當將「行」定義為對基板之垂直方向、將「層」定義為對基板之平行方向時，前述檢測線圈係由將線材或導電體於半徑方向螺旋狀地捲繞成1行複數層的線圈所構成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之渦電流感測器，其中，前述振盪線圈係由將線材或導電體捲繞成1行複數層之線圈、或將線材或導電體捲繞成複數行1層或複數層的線圈所構成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之渦電流感測器，其中，前述平衡線圈係由將線材或導電體捲繞成1行複數層之線圈所構成。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之渦電流感測器，其中，前述檢測線圈、前述振盪線圈及前述平衡線圈之至少一者，係藉由串聯複數個將線材或導電體 捲繞成1行複數層的前述線圈而構成。
  5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之渦電流感測器，其中，前述振盪線圈係以隨著往半徑方向外側而接近基板之方式彎曲而形成。
  6. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之渦電流感測器，其中，前述檢測線圈與前述振盪線圈之線圈外徑係為相異。
  7. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之渦電流感測器，其中，前述檢測線圈、前述振盪線圈及前述平衡線圈係依序從基板側排列。
  8. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之渦電流感測器，其中，前述檢測線圈、前述振盪線圈及前述平衡線圈係排列成同心圓狀。
  9. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之渦電流感測器，其中，前述感測器線圈係收容在由高透磁率材料所形成之筒狀構件內。
  10. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之渦電流感測器，其中，當將「行」定義為對基板之垂直方向、將「層」定義為對基板之平行方向時，前述檢測線圈係由將線材或導電體於半徑方向多角形狀地捲繞成1行複數層的線圈所構成，而非由將線材或導電體於半徑方向螺旋狀地捲繞成1行複數層的線圈所構成。
  11. 一種研磨方法，係將研磨對象之基板推壓在旋轉之研磨台上的研磨面，以對基板上之膜進行研磨之方法，該研 磨方法之特徵為：在前述基板之研磨中，伴隨前述研磨台之旋轉，藉由設置在該研磨台之終點檢測感測器掃描基板之被研磨面；監視藉由前述基板之被研磨面的掃描而得之前述終點檢測感測器的輸出，從該終點檢測感測器之輸出的變化檢測出研磨終點；在檢測出前述研磨終點後，監視前述終點檢測感測器或不同之感測器的輸出，以進行用以檢測出殘留於基板上之一部分的膜之殘膜監視；前述終點檢測感測器或不同之感測器係採用渦電流感測器，當將「行」定義為對基板之垂直方向、將「層」定義為對基板之平行方向時，在該渦電流感測器中用以檢測出形成在基板上之膜之渦電流的線圈係採用將線材或導電體於半徑方向螺旋狀地捲繞成1行複數層的線圈。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之研磨方法，其中，前述殘膜監視係藉由感測度比前述終點檢測感測器更高之前述不同之感測器進行，前述不同之感測器的線圈係採用將線材或導電體捲繞成1行複數層的前述線圈。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之研磨方法，其中，前述殘膜監視係切換前述終點檢測感測器之感測度而進行，該感測度之切換係藉由切換前述線圈之匝數而進行。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之研磨方法，其中，前述殘膜監視係藉由感測度比前述終點檢測感測器高之前述不同之感測器來進行，前述終點檢測感測器及前述不同之感測器係為具備有用以將渦電流形成在基板上之膜的振盪線圈、用以檢測形成在基板上之膜之渦電流的檢測線圈、及與該檢測線圈串聯連接之平衡線圈的渦電流感測器，而前述不同之感測器之前述振盪線圈、前述檢測線圈、及前述平衡線圈係採用將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之研磨方法，其中，當將「行」定義為對基板之垂直方向、將「層」定義為對基板之平行方向時，在前述渦電流感測器中用以檢測出形成在基板上之膜之渦電流的線圈係採用串聯複數個將線材或導電體以1行複數層方式捲繞的前述線圈而成者。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之研磨方法，其中，當將「行」定義為對基板之垂直方向、將「層」定義為對基板之平行方向時，在前述渦電流感測器中用以檢測出形成在基板上之膜之渦電流的線圈係採用將線材或導電體半徑方向多角形狀地捲繞成1行複數層的線圈，以取代將線材或導電體於半徑方向螺旋狀地捲繞成1行複數層的線圈。
  17. 一種研磨裝置，係具備具有研磨面之研磨台、及保持研磨對象之基板的頂環，並且將基板推壓在旋轉之研磨台 上之研磨面，以對基板上之膜進行研磨，該研磨裝置之特徵為具備：終點檢測感測器，設置在前述研磨台，隨著前述研磨台之旋轉而掃描基板之被研磨面；及控制裝置，監視藉由前述基板之被研磨面之掃描而得之前述終點檢測感測器之輸出，並由該終點檢測感測器之輸出的變化檢測出研磨終點；前述終點檢測感測器係由渦電流感測器所構成，在將「行」定義為對基板之垂直方向、將「層」定義為對基板之平行方向時，在該渦電流感測器中檢測出形成在基板上之膜的渦電流的線圈係由將線材或導電體於半徑方向螺旋狀地捲繞成1行複數層的線圈所構成。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之研磨裝置，其中，前述控制裝置係在檢測出前述研磨終點後，監視前述終點檢測感測器或不同之感測器的輸出，以進行用以檢測出殘留在基板上之一部分的膜之殘膜監視。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之研磨裝置，其中，前述殘膜監視係藉由感測度比前述終點檢測感測器更高之渦電流感測器所構成的前述不同之感測器而進行，前述不同之感測器的線圈係由將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈所構成。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之研磨裝置，其中，前述殘膜監視係切換前述終點檢測感測器之感測度而進行，該感測度之切換係藉由切換前述線圈之匝數而進 行。
  21. 如申請專利範圍第17項或第18項所述之研磨裝置，其中，前述終點檢測感測器或前述不同之感測器係由具備感測器線圈之渦電流感測器所構成，該感測器線圈係具有：用以將渦電流形成在基板上之膜的振盪線圈；用以檢測形成在基板上之膜之渦電流的檢測線圈；及與該檢測線圈串聯連接之平衡線圈。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之研磨裝置，其中，前述振盪線圈係由將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈、或將線材或導電體捲繞成複數行1層或複數層的線圈所構成。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之研磨裝置，其中，前述平衡線圈係由將線材或導電體捲繞成1行複數層的線圈所構成。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之研磨裝置，其中，前述檢測線圈、前述振盪線圈及前述平衡線圈之至少一者，係藉由串聯複數個將線材或導電體捲繞成1行複數層的前述線圈而構成。
  25. 如申請專利範圍第21項所述之研磨裝置，其中，前述振盪線圈係以隨著往半徑方向外側而接近基板之方式彎曲而形成。
  26. 如申請專利範圍第21項所述之研磨裝置，其中，前述檢測線圈與前述振盪線圈之線圈外徑係為相異。
  27. 如申請專利範圍第21項所述之研磨裝置，其中，前述 檢測線圈、前述振盪線圈及前述平衡線圈係依序從基板側排列。
  28. 如申請專利範圍第21項所述之研磨裝置，其中，前述檢測線圈、前述振盪線圈及前述平衡線圈係排列成同心圓狀。
  29. 如申請專利範圍第21項所述之研磨裝置，其中，前述感測器線圈係收容在由高透磁率材料所形成之筒狀構件內。
  30. 如申請專利範圍第17項所述之研磨裝置，其中，當將「行」定義為對基板之垂直方向、將「層」定義為對基板之平行方向時，在前述渦電流感測器中用以檢測出形成在基板上之膜之渦電流的線圈係由將線材或導電體於半徑方向多角形狀地捲繞成1行複數層的線圈所構成，而非由將線材或導電體於半徑方向螺旋狀地捲繞成1行複數層的線圈所構成。
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