TWI729152B - 膜厚測定裝置、研磨裝置、膜厚測定方法、及研磨方法 - Google Patents

膜厚測定裝置、研磨裝置、膜厚測定方法、及研磨方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種可比過去減少事前需要之膜厚測定次數的膜厚測定裝置、研磨裝置、膜厚測定方法、及研磨方法。

藉由渦電流感測器210檢測可形成於研磨對象物102之渦電流作為阻抗。使阻抗之電阻成分與電抗成分分別對應於具有正交座標軸之座標系統的各軸。角算出部234算出連結對應於膜厚為零時之阻抗的第一點、及對應於膜厚並非零時之阻抗的第二點之第一直線，與通過第一點之圓的直徑所形成之角的正切。膜厚算出部238從正切求出膜厚。

Description

膜厚測定裝置、研磨裝置、膜厚測定方法、及研磨方法
本發明係關於一種膜厚測定裝置、研磨裝置、膜厚測定方法、及研磨方法者。
近年來，隨著半導體元件高積體化、高密度化，電路之配線愈來愈微細化，多層配線之層數亦增加。為了謀求電路微細化而且多層配線，需要精確平坦化處理半導體元件表面。
半導體元件表面之平坦化技術習知有化學性機械研磨(CMP(Chemical Mechanical Polishing))。用於進行CMP之研磨裝置具備：貼合有研磨墊之研磨台；及用於保持研磨對象物(例如半導體晶圓等之基板、或形成於基板表面之各種膜)的上方環形轉盤。研磨裝置藉由使研磨台旋轉，而且將保持於上方環形轉盤之研磨對象物按壓於研磨墊來研磨研磨對象物。
研磨裝置具備用於依據研磨對象物之膜厚檢測研磨工序終點的膜厚測定裝置。膜厚測定裝置具備檢測研磨對象物之膜厚的膜厚感測器。膜厚感測器以渦電流感測器為代表。
渦電流感測器係配置於形成在研磨台的孔中，與研磨台之旋轉一起旋轉，而且在與研磨對象物相對時檢測膜厚。渦電流感測器係使導電膜等研磨對象物感應渦電流，從藉由被研磨對象物感應之渦電流產生的磁 場變化檢測研磨對象物的厚度變化。
日本特開2005-121616號公報揭示關於渦電流感測器之技術。該渦電流感測器具備：配置於導電性膜附近之感測器線圈；供給交流信號至感測器線圈，而在導電性膜上形成渦電流之信號源；及檢測形成於導電性膜之渦電流作為從感測器線圈所見的阻抗之檢測電路。而後，將阻抗之電阻成分與電抗成分表示在正交座標軸上。從連結阻抗之座標與指定之中心點座標的直線形成之角度檢測導電性膜的膜厚。
從角度求出膜厚之方法係事前測定如公報第十三圖所示之角度與膜厚的關係，利用該關係將角度直接轉換成膜厚。具體而言，係求出依導電性膜之膜質的中心點(基準點)P、及關於該導電性膜之多數個膜厚的多數個仰角θ，並記憶於記憶體中。各仰角θ獲得1條預備測定直線。依多數個仰角θ獲得多數條預備測定直線。然後在基板研磨裝置動作時，依據連結每次測定之阻抗的電阻成分與電抗成分的輸出值與記憶體中之中心點P的正式測定直線rn之仰角θ與預備測定直線運算導電性膜的膜厚。
日本特開2005-121616號公報係藉由事前多次測定而求出用於依據仰角θ運算導電性膜之膜厚所需的基準點P及多數條預備測定直線。亦即，係就各種膜厚、及複數種研磨對象物與渦電流感測器間之距離事前測定阻抗。因而存在事前測定次數多的問題。
【先前技術文獻】
【專利文獻】
[專利文獻1]日本特開2005-121616號公報
本發明係為了消除此種問題者，其目的為提供一種可比過去減少事前需要之膜厚測定次數的膜厚測定裝置、研磨裝置、膜厚測定方法、及研磨方法。
為了解決上述問題，第一種形態之膜厚測定裝置係為了測定研磨對象物之膜厚而藉由渦電流感測器檢測可形成於前述研磨對象物之渦電流作為阻抗時，係輸入前述阻抗，並從輸入之前述阻抗求出前述膜厚，其採用如下之構成：使前述阻抗之電阻成分與電抗成分分別對應於具有2個正交座標軸之座標系統的各軸時，對應於前述阻抗之前述座標系統上的點形成圓之至少一部分，前述膜厚測定裝置具有：角算出部，其係算出連結對應於膜厚為零時之前述阻抗的第一點、及對應於膜厚並非零時之前述阻抗的第二點之第一直線，與通過前述第一點之前述圓的直徑所形成之角的正切或角度；及膜厚算出部，其係從前述正切或前述角度求出前述膜厚。
本實施形態係算出角之正切或角度，並從正切或角度求出前述膜厚。本實施形態不需要在事前進行如過去技術之多數個測定。具有就一種研磨墊之厚度，只要在事前求出膜厚為零時之第一點，即可考慮測定值因研磨墊之厚度變化造成的變化之優點。
其理由如下。在膜厚之測定中可求出第二點。並從關於複數個第二點之資訊(座標值)求出該第二點所屬之圓的中心。可從關於圓中心之資訊(座標值)與關於第一點(或第二點)之資訊(座標值)求出關於圓之直徑的資訊(直徑(直線)之方程式、或直徑的長度))。亦即，因為事前 需要之資訊只有關於第一點的資訊，而關於第二點與圓之直徑的資訊可在膜厚測定中求出。就求出圓之中心或圓的直徑之各種方法的詳細內容於後述。
第二種形態之膜厚測定裝置採用的構成為：前述膜厚測定裝置具有第一記憶部，其係可記憶可從前述圓上之藉由前述渦電流感測器獲得的複數個前述第二點算出之前述圓的中心位置，前述角算出部係從前述所記憶之前述圓的中心位置、前述第一點、及算出前述圓之中心位置後藉由前述渦電流感測器獲得的前述第二點算出前述正切或前述角度。
第三種形態之膜厚測定裝置採用的構成為：對應於前述研磨對象物與前述渦電流感測器間之距離不同時獲得的阻抗之前述座標系統上的點形成不同之前述圓，不同之該圓的各個中心在第二直線上，且前述膜厚測定裝置具有第二記憶部，其係可記憶前述第二直線之資訊，前述角算出部將記憶之前述第二直線上的點，且為從前述第一點之距離與從前述第二點之距離相同的點判斷為該第二點所屬的前述圓之中心，並從該圓之中心位置、前述第一點、及該第二點算出前述正切或前述角度。
第四種形態之膜厚測定裝置採用的構成為：對應於前述研磨對象物與前述渦電流感測器間之距離不同時獲得的阻抗之前述座標系統上的點形成不同之前述圓，不同之該圓的各個中心在第二直線上，且前述第一點在前述第二直線上，前述膜厚測定裝置具有第二記憶部，其係可記憶前述第二直線之資訊，前述角算出部將記憶之前述第二直線與前述第一直線形成的角之角度，作為前述第一直線與通過前述第一點之前述圓的前述直徑形成之前述角的前述角度而算出前述正切或前述角度。
第五種形態之膜厚測定裝置採用的構成為：前述膜厚測定裝置具有直線算出部，其係算出前述第二直線之資訊，前述直線算出部關於對應於前述研磨對象物與前述渦電流感測器間之不同距離的至少2個前述圓，分別從該圓上之至少3點算出各個該圓之中心，並將連結所算出之至少2個該圓中心的直線資訊作為前述第二直線之資訊而輸出至前述第二記憶部，前述第二記憶部記憶所輸入之該第二直線的資訊。
第六種形態之膜厚測定裝置採用的構成為：前述圓係對應於前述研磨對象物與前述渦電流感測器間之距離不同時獲得的阻抗之前述座標系統上的點形成不同之前述圓，前述第一點係不同之該圓中的共通點，且前述膜厚測定裝置具有直線算出部，其係算出前述第二直線之資訊，前述直線算出部關於1個前述圓，係從該圓上之至少3點算出該圓之中心，並將連結所算出之該圓中心與前述第一點的直線資訊作為前述第二直線之資訊而輸出至前述第二記憶部，前述第二記憶部記憶所輸入之該第二直線的資訊。
第七種形態之研磨裝置係研磨研磨對象物，其採用之構成具有：研磨部，其係進行前述研磨對象物之研磨；渦電流感測器，其係為了測定前述研磨對象物之膜厚，而在前述研磨對象物上形成渦電流，並且檢測所形成之前述渦電流；接收部，其係將前述檢測出之渦電流作為阻抗而輸出；及第一種形態至第六種形態中任一形態之膜厚測定裝置，其係輸入前述阻抗，並從所輸入之前述阻抗求出前述膜厚。
第八種形態之膜厚測定方法，係為了測定研磨對象物之膜厚而藉由渦電流感測器檢測可形成於前述研磨對象物之渦電流作為阻抗時，係輸入前述阻抗，並從輸入之前述阻抗求出前述膜厚，其採用如下之構成： 使前述阻抗之電阻成分與電抗成分分別對應於具有2個正交座標軸之座標系統的各軸時，對應於前述阻抗之前述座標系統上的點形成圓之至少一部分，前述膜厚測定方法具有以下步驟：算出連結對應於膜厚為零時之前述阻抗的第一點、及對應於膜厚並非零時之前述阻抗的第二點之第一直線，與通過前述第一點之前述圓的直徑所形成之角的正切或角度；及從前述正切或前述角度求出前述膜厚。
第九種形態之研磨方法，係研磨研磨對象物，其採用之構成的特徵具有以下步驟：進行前述研磨對象物之研磨；為了測定研磨對象物之膜厚而在前述研磨對象物上形成渦電流，並且檢測所形成之前述渦電流；將前述檢測出之渦電流作為阻抗而輸出；及膜厚測定步驟，其係輸入前述阻抗，並從所輸入之前述阻抗求出前述膜厚；使前述阻抗之電阻成分與電抗成分分別對應於具有2個正交座標軸之座標系統的各軸時，對應於前述阻抗之前述座標系統上的點形成圓之至少一部分，前述膜厚測定步驟具有以下步驟：算出連結對應於膜厚為零時之前述阻抗的第一點、及對應於膜厚並非零時之前述阻抗的第二點之第一直線，與通過前述第一點之前述圓的直徑所形成之角的正切或角度；及從前述正切或前述角度求出前述膜厚。
10:第一直線
12:直徑
14:第二直線
18:圓
20:圓
22、24:線
22a、24a:二等分線
26、28:線
26a、28a:二等分線
100:研磨裝置
102:研磨對象物
108:研磨墊
110:研磨台
112:第一電動馬達
116:上方環形轉盤
118:第二電動馬達
120:漿液管線
124:交流信號源
126:同步檢波電路
128、130:端子
140:研磨裝置控制部
150:研磨部
160、170:旋轉接頭連接器
202:感測線圈
203:交流信號源
210:渦電流感測器
230:膜厚測定裝置
232:接收部
234:角算出部
236:第一記憶部
237:中心算出部
238:膜厚算出部
240:終點檢測器
302:帶通濾波器
303:高頻放大器
304:移相電路
305:cos同步檢波電路
306:sin同步檢波電路
307、30:低通濾波器8
309:向量運算電路
310:向量運算電路
311:繞線管
312:勵磁線圈
313:檢測線圈
314:平衡線圈
316:可變電阻
317:電阻橋接電路
201':導電性膜
C0、C1:圓(圓弧)之中心
rn:等膜厚直線
R1、R2:距離
T0:第一點
Tn:第二點
α:角度
W:半導體晶圓
Z:阻抗
第一圖係模式顯示研磨裝置之整體構成圖。
第二圖係顯示用於測定阻抗之渦電流感測器的構成例方塊圖。
第三圖係第二圖之方塊圖的等效電路圖。
第四圖係顯示渦電流感測器之感測線圈的構成例之立體圖。
第五圖係顯示第四圖之感測線圈的連接例之電路圖。
第六圖係顯示感測線圈輸出之同步檢波電路的方塊圖。
第七圖係顯示隨著導電性膜之厚度變化，在阻抗座標面之電阻成分(X)與電抗成分(Y)的圓軌跡曲線圖。
第八圖係使第七圖之曲線圖形逆時鐘旋轉90度，進一步平行移動之曲線圖。
第九圖係顯示座標X,Y之圓弧軌跡依相當於使用之研磨墊厚度的距離而變化之情況曲線圖。
第十圖係儘管研磨墊108之厚度不同，但角度α相同之說明圖。
第十一圖係顯示圓弧中心之求出方法的流程圖。
第十二圖係顯示角度α之求出方法的說明圖。
第十三圖係顯示角度α之另外求出方法的說明圖。
第十四圖係顯示第二直線14之求出方法的說明圖。
第十五圖係顯示不使用圓弧中心而算出角度α之方法的說明圖。
第十六圖係顯示膜厚之整個算出方法的流程圖。
以下，參照圖式說明本發明之實施形態。另外，以下各種實施形態中，在相同或相當之構件上註記相同符號，並省略重複之說明。
第一圖係模式顯示本發明一種實施形態之研磨裝置的整體構成圖。如第一圖所示，研磨裝置100具有用於研磨研磨對象物(例如半導體晶圓等之基板、或形成於基板表面之各種膜)102的研磨部150。研磨部150具備：將用於研磨研磨對象物102之研磨墊108安裝於上面的研磨台110；旋轉驅動研磨台110之第一電動馬達112；可保持研磨對象物102之上方環形轉 盤116；及旋轉驅動上方環形轉盤116之第二電動馬達118。
此外，研磨部150具備在研磨墊108上面供給包含研磨材料之研磨液的漿液管線120。研磨裝置100具備輸出關於研磨部150之各種控制信號的研磨裝置控制部140。
研磨裝置100具備配置於形成在研磨台110之孔中，隨著研磨台110之旋轉而沿著研磨面檢測研磨對象物102之膜厚的渦電流感測器210。
研磨裝置100係研磨研磨對象物102時，從漿液管線120供給包含研磨粒之研磨漿液至研磨墊108上面，並藉由第一電動馬達112旋轉驅動研磨台110。而後，研磨裝置100使上方環形轉盤116在與研磨台110之旋轉軸偏心的旋轉軸周圍旋轉狀態下，將保持於上方環形轉盤116之研磨對象物102按壓於研磨墊108。藉此，研磨對象物102藉由保持了研磨漿液之研磨墊108研磨而平坦化。
接收部232經由旋轉接頭連接器160、170而與渦電流感測器210連接。接收部232接收從渦電流感測器210輸出之信號，並作為阻抗輸出。
如第一圖所示，膜厚測定裝置230對於從接收部232所輸出之阻抗進行指定的信號處理，並輸出至終點檢測器240。
終點檢測器240依據從膜厚測定裝置230輸出之信號監視研磨對象物102的膜厚變化。終點檢測器240與進行關於研磨裝置100之各種控制的研磨裝置控制部140連接。終點檢測器240檢測研磨對象物102之研磨終點時，將表示其要旨之信號輸出至研磨裝置控制部140。研磨裝置控制部140從終點檢測器240接收表示研磨終點之信號時，使研磨裝置100之研磨結束。研磨裝置控制部140在研磨中依據修正後之膜厚資料控制研磨對象物102的 按壓力。
第二圖顯示研磨裝置100具備之渦電流感測器210。渦電流感測器從感測線圈觀看導電性膜側之阻抗變化，並從該阻抗變化檢測膜厚。渦電流感測器210在檢測對象之研磨對象物102附近配置感測線圈，該線圈上連接有交流信號源124。此處，檢測對象之研磨對象物102例如係形成於半導體晶圓W上之厚度為0~2μm程度的銅鍍覆膜(亦可為金、鉻、鎢等金屬材料之蒸鍍膜)。感測線圈對檢測對象之導電性膜例如配置於0.5~5mm程度附近。同步檢波電路126檢測包含從感測線圈側觀看之檢測對象的研磨對象物102之阻抗Z(詳細內容於後述)。
在第三圖所示之等效電路中，交流信號源124之振盪頻率一定，當研磨對象物102之膜厚變化時，從交流信號源124觀看感測線圈側之阻抗Z變化。亦即，在第三圖所示之等效電路中，流入研磨對象物102之渦電流I2藉由研磨對象物102之等效性電阻R2及自感L2來決定。膜厚變化時渦電流I2變化，經由與感測線圈側之相互電感M抓住從交流信號源124側觀看之阻抗Z的變化。此處，L1係感測線圈之自感部分，R1係感測線圈之電阻部分。
以下，具體說明渦電流感測器。交流信號源124係1~50MHz程度之固定頻率振盪器，例如使用水晶振盪器。而後，藉由交流信號源124供給之交流電壓，電流I1流入感測線圈。藉由電流流入配置於研磨對象物102附近之線圈，該磁通與研磨對象物102交鏈，其間形成相互電感M，渦電流I2流入研磨對象物102中。此處，R1係包含感測線圈之一次側等效電阻，L1同樣地係包含感測線圈之一次側的自感。研磨對象物102側之R2係相當於渦電流損失之等效電阻，L2係其自感。從交流信號源124之端子128、130觀看感 測線圈側之阻抗Z係依形成於研磨對象物102中之渦電流損失的大小而變化。
第四圖顯示本實施形態之渦電流感測器中的感測線圈之構成例。感測線圈係分離用於在導電性膜上形成渦電流之線圈、與用於檢測導電性膜之渦電流的線圈者，且藉由捲繞於繞線管311之3層線圈構成。此處，中央之勵磁線圈312係連接於交流信號源124之勵磁線圈。該勵磁線圈312藉由從交流信號源124供給之電壓形成的磁場，而在配置於附近之半導體晶圓W上的研磨對象物102上形成渦電流。在繞線管311上側(導電性膜側)配置檢測線圈313，檢測藉由形成於導電性膜之渦電流產生的磁場。而後，在勵磁線圈312之與檢測線圈313相反側配置有平衡線圈314。
第五圖顯示各線圈之連接例。檢測線圈313與平衡線圈314如上述構成反相之串聯電路，其兩端連接於包含可變電阻316之電阻橋接電路317。線圈312連接於交流信號源203，藉由生成交變磁通而在配置於附近之導電性膜201'上形成渦電流。藉由調整可變電阻VR1、VR2之電阻值，由線圈313、314構成之串聯電路的輸出電壓於導電性膜不存在時可調整為零。
第六圖顯示從交流信號源203側觀看感測線圈202側之阻抗Z的計測電路例。該第六圖所示之阻抗Z的計測電路中可取出伴隨膜厚變化之阻抗平面座標值(X,Y)(亦即，電抗成分(Y)、電阻成分(X))、阻抗(Z=X+iY)、及相位輸出(θ=tan-1Y/X)。因此，藉由使用此等信號輸出，例如藉由阻抗之各種成分的大小計測膜厚等可檢測更多面之處理的進行狀況。
如上述，對配置於檢測對象之研磨對象物102成膜後的半導 體晶圓W附近之感測線圈供給交流信號的信號源203係由水晶振盪器構成之固定頻率振盪器。交流信號源203例如供給1~50MHz之固定頻率的電壓。信號源203所形成之交流電壓經由帶通濾波器302供給至勵磁線圈312。感測線圈之端子128、130所檢測的信號經過高頻放大器303及移相電路304輸入由cos同步檢波電路305及sin同步檢波電路306構成之同步檢波部。藉由同步檢波部取出檢測信號之cos成分(X成分)與sin成分(Y成分)。此處，藉由移相電路304從信號源203所形成之振盪信號形成信號源203之同相成分(0°)與正交成分(90°)的2個信號。此等信號分別導入cos同步檢波電路305與sin同步檢波電路306進行上述之同步檢波。
同步檢波之信號藉由低通濾波器307、308除去信號成分以上不需要之例如5KHz以上的高頻成分。同步檢波之信號係cos同步檢波輸出之X成分輸出與sin同步檢波輸出之Y成分輸出。此外，藉由向量運算電路309從X成分輸出與Y成分輸出獲得阻抗Z之大小(X2+Y2)1/2。此外，藉由向量運算電路(θ處理電路)310同樣地從X成分輸出與Y成分輸出獲得相位輸出(θ=tan-1Y/X)。此處，此等濾波器係為了除去感測信號之雜音成分而設，並依各種濾波器設定截止頻率。
其次，對應於研磨對象物102與渦電流感測器210間之距離不同時獲得的阻抗之阻抗平面座標系統上的點(座標值(X,Y))形成不同之圓。不同圓之各個中心在同一直線(第二直線)上。第一點係對不同圓共通之1個點。就此等進行說明。
在第三圖所示之感測器側電路與導電性膜側電路中，分別成立以下公式。
R1I1+L1dI1/dt+MdI2/dt=E (1)
R2I2+L2dI2/dt+MdI1/dt=0 (2)
此處，M係相互電感，R1係感測器側電路之等效電阻，L1係感測器側電路之自感。R2係感應渦電流之導電性膜的等效電阻，L2係有渦電流流動之導電性膜的自感。
此處，設定In=Anejωt(正弦波)時，上述公式(1)、(2)表示如下。
(R1+jωL1)I1+jωMI2=E (3)
(R2+jωL2)I2+jωMI1=0 (4)
從此等公式(3)、(4)導出以下的公式(5)。
I1=E(R2+jωL2)/{(R1+jωL1)(R2+jωL2)+ω2M2} =E/{(R1+jωL1)+ω2M2/(R2+jωL2)} (5)
因此，感測器側電路之阻抗Z由以下公式(6)表示。
Z=E/I1={R1+ω2M2R2/(R2 2+ω2L2 2)}+jω{L1-ω2L2M2/(R2 2+ω2L2 2)} (6)
此處，將Z的實部(電阻成分)、虛部(感應電抗成分)分別設為X、Y時，上述公式(6)如下所示。
Z=X+jωY (7)
此處，若Rx=ω2L2M2/(R2 2+ω2L2 2)時，則公式(7)成為X+jωY=[R1+R2Rx]+Jω[L1-L2Rx]。
因此，成為X=R1+R2Rx Y=ω[L1-L2Rx]。
就R2、L2求解時， R2=ω2(X-R1)M2/((ωL1-Y)2+(X-R1)2) (8)
L2=ω(ωL1-Y)M2/((ωL1-Y)2+(X-R1)2) (9)
第七圖所示之符號k係結合係數，且以下之關係公式(10)成立。
M=k(L1L2)1/2 (10)
將其代入(9)時，(X-R1)2+(Y-ω(1-(k2/2))L1)2=(ωL1k2/2)2 (11)
這是圓的方程式，且表示X、Y形成圓，亦即，表示阻抗Z形成圓。
渦電流感測器210輸出包含渦電流感測器210之線圈的電路之阻抗的電阻成分X及感應電抗成分Y。此等電阻成分X及感應電抗成分Y係反映膜厚之膜厚信號，且依基板上之導電性膜的厚度變化。
第七圖係顯示在XY座標系統上標註隨導電性膜之厚度變化的X、Y而描繪的曲線圖。點T∞之座標係膜厚無限大時，亦即R2為0時的X、Y。點T0(第一點)之座標在可忽略基板之導電率時，係膜厚為0時，亦即R2無限大時之X、Y。從X、Y之值定位的點Tn(第二點)隨導電性膜之厚度減少，而描繪圓弧狀的軌跡並且朝向點T0行進。
第八圖係使第七圖之曲線圖形逆時鐘旋轉90度，進一步平行移動之曲線圖。如第八圖所示，隨著膜厚減少，從X、Y之值定位的點Tn描繪圓弧狀的軌跡並朝向點T0行進。
結合係數k係藉由一方線圈產生之磁場傳導至另一方線圈的比率。k=1時最大，線圈間之距離遠離時，亦即研磨墊108變厚時，k變小。
渦電流感測器210之線圈與基板W間的距離G係依介於此等之間的研磨墊108厚度而變化。結果如第九圖所示，座標X、Y之圓弧軌跡依 相當於使用之研磨墊108厚度的距離G(G1~G3)而變化。從第九圖瞭解，不論線圈與研磨對象物102間之距離G為何，以直線(以下稱等膜厚直線(第一直線))連結相同膜厚之座標X,Y時，該等膜厚直線在相交點P交叉。點P係第一點T0。該等膜厚直線rn(n：1,2,3...)在第九圖中係以依導電性膜(研磨對象物102)之厚度的角度α對通過第一點之圓的直徑(第二直線)12傾斜。通過第一點之圓的直徑(第二直線)不論距離G為何皆相同。
角度α係以連結對應於膜厚為零時之阻抗的第一點(T0)、與對應於膜厚並非零時之阻抗的第二點(Tn)之第一直線，與通過第一點(T0)之圓的直徑形成之角的角度。導電性膜之厚度相同時，不論研磨墊108之厚度的差異，角度α皆相同。藉由第十圖說明這一點。
使用第十圖所示之角度α表示點Tn的座標(X、Y)。從第十圖
X=R1+ω(k2/2)L1sin α (12)
Y=ω(1-(k2/2))L1-ω(k2/2)L1cos α (13)
從前述之(8)、(9)，R2/L2=ω(X-R1)/(ωL1-Y)
將(12)、(13)代入此公式時，R2/L2=ωsin 2α/(1+cos 2α)=ω tan α (14)
因為R2/L2僅取決於膜厚，並且不取決於結合係數k，所以不取決於渦電流感測器210與研磨對象物102間之距離，亦即不取決於研磨墊108之厚度。R2/L2僅取決於膜厚，因此角度α亦僅取決於膜厚。膜厚算出部係算出角度α之正切，並利用公式(14)之關係從正切求出膜厚。
以下說明角度α之算出方法及膜厚的算出方法。第一圖之膜 厚測定裝置230為了測定研磨對象物之膜厚，而藉由渦電流感測器210檢測可形成於研磨對象物102之渦電流作為阻抗時，係從接收部232輸入阻抗。並從所輸入之阻抗求出膜厚。膜厚測定裝置230具備角算出部234、及膜厚算出部238。
角算出部234算出連結對應於膜厚為零時之阻抗的第一點T0、與對應於膜厚並非零時之阻抗的第二點Tn之第一直線10，與通過第一點T0之圓的直徑12形成之角的角度α。膜厚算出部238算出角度α之正切，並從正切求出膜厚。
膜厚測定裝置230具有可記憶1個圓之可從藉由渦電流感測器210獲得之複數個第二點Tn算出的圓中心位置之第一記憶部236。第一記憶部236亦記憶有事前測定獲得之關於第一點T0的資訊(座標值)。研磨晶圓等研磨對象物102時，阻抗描繪半圓之一部分，並從半圓上之複數個第二點Tn算出圓弧中心。算出角度α時，使用圓弧中心點情況下已如前述，圓弧之半徑與渦電流感測器210及研磨墊108之距離成反比變化。因而繼續進行研磨處理時，研磨墊108會損耗，而圓弧半徑變大。因而亦需要使圓弧中心移動。具體之圓弧中心求出方法顯示於第十一圖。開始研磨時(步驟S10)，使用已記憶於第一記憶部236之現在的圓弧中心，並如後述藉由角算出部234及膜厚算出部238測定膜厚(步驟S12)。
研磨結束時(步驟S14)，中心算出部237依據測定中從接收部232輸入至中心算出部237的阻抗，從此次研磨時之資料算出圓弧中心(步驟S16)。詳細於後述。中心算出部237算出如此獲得之最近數片研磨對象物102的圓弧中心平均值(步驟S18)。將算出之圓弧中心平均值記憶於第一記 憶部236(步驟S20)。回到步驟S10開始下一個研磨對象物102之研磨。研磨第1片研磨墊108時，第一記憶部236中並無研磨之資料。此時，係在事前研磨測試晶圓來製作資料。
如此，藉由保持最新之圓弧中心資料，即可追隨因研磨墊108損耗造成圓弧中心的變動。此外，更換研磨墊108時，或是藉由研磨墊108之磨合(Break in)處理(除去研磨墊108之堵塞等的修整處理)而研磨墊108急遽磨損時，研磨裝置控制部140檢測其動作。而後，藉由研磨測試晶圓再度取得圓弧中心加以記憶。此時不進行最近數片之平均。
如第十二圖所示，角算出部234從記憶於第一記憶部236之圓的中心C0之位置座標值、記憶於第一記憶部236之第一點T0的座標值、及算出圓中心位置後藉由渦電流感測器210獲得之第二點Tn的座標值算出正切。算出公式如下。
從中心C0之座標值與第一點T0的座標值求出通過中心C0與第一點T0之直線的方程式ax+by=e。並從第二點Tn之座標值與第一點T0的座標值求出通過第二點Tn與第一點T0之直線的方程式cx+dy=f。此時，兩條直線形成之角度α滿足cosα=√((ac+bd)2)/(√(a2+b2)√(c2+d2))。求出cosα時，利用以下公式求出正切。
tanα=√(1-(cosα)2)/cosα
本實施形態不求出角度α而係直接求出正切，不過亦可在求出角度α後再求出正切。求出角度α之方法例如有以下之方法。如上述求出cosα，並求出cosα之arccosine時即得到角度α。
另外，本實施形態係直接求出正切，其次求出膜厚，不過亦 可從角度α直接求出膜厚。因為藉由本實施形態已判明108之厚度不同時角度α與膜厚的關係，所以只須事前進行比過去技術少之測定即可獲得角度α與膜厚的關係。亦即，關於渦電流感測器210與1個研磨對象物102之距離(亦即，1個研磨墊108之厚度)，就3個研磨對象物102程度之膜厚，只須事前進行測定即可獲得角度α與膜厚的關係。可利用此種角度α與膜厚之關係從角度α直接求出膜厚。此時之優點為事前進行比過去少的測定次數即可完成。
藉由第十三圖說明與第十二圖不同之實施形態。如前述，當渦電流感測器210與研磨對象物102之距離變化時，圓弧之中心點在一定之近似直線上行進。因此，事前實施渦電流感測器210輸出之校正，在渦電流感測器210與研磨對象物102之距離不同狀態下取得阻抗資料，而事前取得圓弧中心近似直線。先求出圓弧中心近似直線時，由於與第二點Tn及第一點T0之距離相等的近似直線上之點係圓弧中點，因此測定時立即求出中心點。藉由第十三圖說明該方法。
該方法係對應於研磨對象物102與渦電流感測器210間之距離不同時獲得的阻抗之座標系統上的點形成不同之圓，不同之圓的各個中心在第二直線14上。第二直線14係前述之直徑12。膜厚測定裝置230具有可記憶第二直線14之資訊的第二記憶部(無圖示)。角算出部將記憶於第二記憶部之第二直線上的點，且為從第一點T0之距離R4與從第二點Tn之距離R3相同的點判斷為第二點Tn所屬之圓的中心C0。並從圓之中心C0的位置、第一點T0、及第二點Tn，利用第十二圖說明之方法算出角度α。R3=R4之第二直線14上的點係現在之圓弧中心C0。
藉由第十四圖說明第二直線14之求出方法。膜厚測定裝置 230具有算出第二直線之資訊的直線算出部(無圖示)。直線算出部就對應於研磨對象物102與渦電流感測器210間之不同距離的至少2個圓，分別從圓上至少3點算出各個圓的中心C0、C1。並將連結算出之至少2個圓的中心C0、C1之直線資訊作為第二直線之資訊而輸出至第二記憶部。第二直線之資訊有直線坡度、直線上至少1個點之座標值、直線之方程式的係數等。第二記憶部記憶所輸入之第二直線14的資訊。
具體而言，係藉由渦電流感測器210並使用2種以上膜厚不同之校正用晶圓，取得圓18、圓20上之資料。將圓18上之資料設為點Tn1、點Tn2。關於圓18，包含第一點T0獲得3點以上之資料，因此連結各個點之線22、24的二等分線22a、24a之相交點C0成為圓弧中心。亦就圓20進行同樣之步驟。亦即，將圓20上之資料設為點Tn1a、點Tn2a。關於圓20，包含第一點T0獲得3點以上之資料，因此連結各個點之線26、28的二等分線26a、28a之相交點C1成為圓弧中心。藉由2種以上研磨對象物102與渦電流感測器210間不同之距離實施該操作時，求出2點以上之圓弧中心C0、C1，因此求出連結此等之近似直線即可。
另外，直線算出部亦可採用另外之第二直線的資訊之求出方法。亦即，亦可從1種研磨對象物102與渦電流感測器210間之距離求出第二直線14。亦即，關於1個圓，亦可從圓上至少3點算出圓的中心，將連結算出之圓的中心與第一點T0之直線的資訊作為第二直線資訊而輸出至前述第二記憶部。第二記憶部記憶所輸入之第二直線的資訊。
該方法係利用藉由2點決定直線者。亦可將連結1種研磨對象物102與渦電流感測器210間之距離的圓弧中心C0與第一點T0之線作為圓弧 中心的近似直線。
以上之角度α的算出方法係使用圓弧中心之方法。亦可採用不使用圓弧中心之方法。藉由第十五圖說明不使用圓弧中心之情況。第十五圖係不求出圓弧中心，而求出連結第一點T0與第二點Tn之直線10、與圓弧中心近似直線之第二直線14形成的角度α。該方法係角算出部算出記憶之第二直線14與第一直線10形成的角之角度，作為第一直線10與通過第一點T0之圓32的直徑形成之角的角度α。
另外，從第九圖、第十二圖等瞭解，第二直線14(圓之直徑)亦可與X軸或Y軸平行亦可垂直，此外，亦可不與X軸或Y軸平行，且不垂直。第二直線14(圓之直徑)的位置及方向亦可取決於測定系統及處理系統之設定，或是配合裝置使用人之希望。
另外，角度α之算出方法亦可採用以上方法以外的方法，只要可求出角度α之值，亦可採用任何方法。
其次，說明從正切求出膜厚之膜厚算出部238。本實施形態係利用正切之倒數與膜厚的關係。首先，說明正切之倒數與膜厚的關係。
正切與金屬膜的電阻值之間為前述公式(14)之關係，亦即，為R2/L2=ωtanα (14)
此處，R2係金屬膜之電阻值。因此，R2與tanα成正比。再者，R2與膜厚具有以下的關係。
R2=ρL/tW (15)
此處，ρ：電阻率L、W：金屬膜之長度及寬度t：膜厚
從(14)、(15)瞭解膜厚t與角度α具有以下之關係。
R2
Figure 106120159-A0305-02-0022-1
(1/t)
Figure 106120159-A0305-02-0022-2
ωtanα
亦即，1/tanα
Figure 106120159-A0305-02-0022-3
t
藉此，1/tanα與膜厚t成正比。不過，公式(15)於膜厚薄時，有時因金屬種類而不成立。另外，公式(14)則始終成立。因此，本實施形態就從1/tanα算出膜電阻值之R2的方法，決定使用表示藉由事前校正所獲得之1/tanα與膜電阻值的關係之近似曲線。其次，即使就從膜電阻值換算成金屬膜厚，仍決定使用表示藉由事前校正所獲得之膜電阻值與金屬膜後的關係之近似曲線。第十六圖顯示如此進行之膜厚的算出方法。
首先，藉由渦電流感測器210及接收部232獲得阻抗座標面上之電阻成分(X)與電抗成分(Y)(步驟S30)。其次，在角算出部234中藉由前述之2個方法、使用現在圓弧中心之方法、或使用圓弧中心近似直線的方法算出tanα(步驟S32)。在膜厚算出部238中，從1/tanα算出膜電阻值(步驟S34)。此時，使用表示1/tanα與膜電阻值之關係的理論公式，或藉由將1/tanα換算成膜電阻值之事前校正而獲得的曲線。並從獲得之膜電阻值算出晶圓膜厚(步驟S36)。此時，使用表示膜電阻值與晶圓膜厚之關係的理論公式，或藉由將膜電阻值換算成晶圓膜厚之事前校正所獲得的曲線。
本實施形態從1/tanα求出膜厚的方法有以下的優點。
‧日本特開2005-121616號公報係在事前藉由多數次測定而求出基準點(本實施形態之第一點T0)。亦即就各種膜厚、及複數種研磨對象物102與渦電流感測器210間之距離，係在事前測定阻抗。本實施形態不需要進行此種多數次的測定。想將測定次數降至最低時，就1種研磨墊108之厚度，只須先求出第一點T0，即可考慮測定值因研磨墊108厚度之變化。
‧由於1/tanα與1/R2具有線形特性，因此可測定膜電阻值與膜厚。
‧第十圖等所示之第一直線10的長度係阻抗之大小，不過阻抗之大小可考慮為渦電流的電能。本實施形態可求出第一直線10之長度。將渦電流感測器210在研磨對象物102邊緣之測定值的降低考慮為電能的降低，即可修正電能的降低。藉此，可將邊緣可測定膜厚之範圍朝向端部擴大。本實施形態可使用此種邊緣修正。
以上，已經說明本發明的實施形態之例，不過上述發明之實施形態係為了容易理解本發明者，而並非限定本發明者。本發明在不脫離其旨趣下可加以變更、改良，並且本發明當然包含其均等物。此外，在可解決上述問題之至少一部分的範圍內，或達到效果之至少一部分的範圍內，記載於申請專利範圍及說明書之各元件可任意組合或省略。
100:研磨裝置
102:研磨對象物
108:研磨墊
110:研磨台
112:第一電動馬達
116:上方環形轉盤
118:第二電動馬達
120:漿液管線
140:研磨裝置控制部
150:研磨部
160、170:旋轉接頭連接器
210:渦電流感測器
230:膜厚測定裝置
232:接收部
234:角算出部
236:第一記憶部
237:中心算出部
238:膜厚算出部
240:終點檢測器

Claims (9)

  1. 一種膜厚測定裝置，係為了測定研磨對象物之膜厚而藉由渦電流感測器檢測可形成於前述研磨對象物之渦電流作為阻抗時，輸入前述阻抗，並從輸入之前述阻抗求出前述膜厚，使前述阻抗之電阻成分與電抗成分分別對應於具有2個正交座標軸之座標系統的各軸時，對應於前述阻抗之前述座標系統上的點形成圓之至少一部分，前述膜厚測定裝置具有：角算出部，其係算出連結對應於膜厚為零時之前述阻抗的第一點、及對應於膜厚並非零時之前述阻抗的第二點之第一直線，與通過前述第一點之前述圓的直徑所形成之角的正切或角度；及膜厚算出部，其係從前述正切或前述角度求出前述膜厚。
  2. 如申請專利範圍第1項之膜厚測定裝置，其中前述膜厚測定裝置具有第一記憶部，其係可記憶從前述圓上之藉由前述渦電流感測器獲得的複數個前述第二點算出之前述圓的中心位置，前述角算出部係從記憶之前述圓的中心位置、前述第一點、及算出前述圓之中心位置後藉由前述渦電流感測器獲得的前述第二點算出前述正切或前述角度。
  3. 如申請專利範圍第1項之膜厚測定裝置，其中對應於前述研磨對象物與前述渦電流感測器間之距離不同時獲得的阻抗之前述座標系統上的點形成不同之前述圓，不同之該圓的各個中心在第二直線上，且前述膜厚測定裝置具有第二記憶部，其係可記憶前述第二直線之 資訊，前述角算出部係將記憶之前述第二直線上的點，且為從前述第一點之距離與從前述第二點之距離相同的點判斷為該第二點所屬的前述圓之中心，並從該圓之中心位置、前述第一點、及該第二點算出前述正切或前述角度。
  4. 如申請專利範圍第1項之膜厚測定裝置，其中對應於前述研磨對象物與前述渦電流感測器間之距離不同時獲得的阻抗之前述座標系統上的點形成不同之前述圓，不同之該圓的各個中心在第二直線上，且前述第一點在前述第二直線上，前述膜厚測定裝置具有第二記憶部，其係可記憶前述第二直線之資訊，前述角算出部將記憶之前述第二直線與前述第一直線形成的角之角度，作為前述第一直線與通過前述第一點之前述圓的前述直徑形成之前述角的前述角度而算出前述正切或前述角度。
  5. 如申請專利範圍第3或4項之膜厚測定裝置，其中前述膜厚測定裝置具有直線算出部，其係算出前述第二直線之資訊，前述直線算出部係關於對應於前述研磨對象物與前述渦電流感測器間之不同距離的至少2個前述圓，分別從該圓上之至少3點算出各個該圓之中心，並將連結所算出之至少2個該圓中心的直線資訊作為前述第二直線之資訊而輸出至前述第二記憶部，前述第二記憶部記憶所輸入之該第二直線的資訊。
  6. 如申請專利範圍第3或4項之膜厚測定裝置，其中前述圓係對應於前 述研磨對象物與前述渦電流感測器間之距離不同時獲得的阻抗之前述座標系統上的點形成不同之前述圓，前述第一點係不同之該圓中的共通點，且前述膜厚測定裝置具有直線算出部，其係算出前述第二直線之資訊，前述直線算出部關於1個前述圓，係從該圓上之至少3點算出該圓之中心，並將連結所算出之該圓中心與前述第一點的直線資訊作為前述第二直線之資訊而輸出至前述第二記憶部，前述第二記憶部記憶所輸入之該第二直線的資訊。
  7. 一種研磨裝置，係研磨研磨對象物，其特徵為具有：研磨部，其係進行前述研磨對象物之研磨；渦電流感測器，其係為了測定前述研磨對象物之膜厚，而在前述研磨對象物上形成渦電流，並且檢測所形成之前述渦電流；接收部，其係將前述檢測出之該渦電流作為阻抗而輸出；及申請專利範圍第1~6項中任一項之膜厚測定裝置，其係輸入前述阻抗，並從所輸入之前述阻抗求出前述膜厚。
  8. 一種膜厚測定方法，係為了測定研磨對象物之膜厚而藉由渦電流感測器檢測可形成於前述研磨對象物之渦電流作為阻抗時，輸入前述阻抗，並從輸入之前述阻抗求出前述膜厚，其特徵為：使前述阻抗之電阻成分與電抗成分分別對應於具有2個正交座標軸之座標系統的各軸時，對應於前述阻抗之前述座標系統上的點形成圓之至少一部分， 前述膜厚測定方法具有以下步驟：算出連結對應於膜厚為零時之前述阻抗的第一點、及對應於膜厚並非零時之前述阻抗的第二點之第一直線，與通過前述第一點之前述圓的直徑所形成之角的正切或角度；及從前述正切或前述角度求出前述膜厚。
  9. 一種研磨方法，係研磨研磨對象物，其特徵為具有以下步驟：進行前述研磨對象物之研磨；為了測定研磨對象物之膜厚而在前述研磨對象物上形成渦電流，並且檢測所形成之前述渦電流；將前述檢測出之該渦電流作為阻抗而輸出；及膜厚測定步驟，其係輸入前述阻抗，並從所輸入之前述阻抗求出前述膜厚；使前述阻抗之電阻成分與電抗成分分別對應於具有2個正交座標軸之座標系統的各軸時，對應於前述阻抗之前述座標系統上的點形成圓之至少一部分，前述膜厚測定步驟具有以下步驟：算出連結對應於膜厚為零時之前述阻抗的第一點、及對應於膜厚並非零時之前述阻抗的第二點之第一直線，與通過前述第一點之前述圓的直徑所形成之角的正切或角度；及從前述正切或前述角度求出前述膜厚。
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