JP4996331B2 - 基板研磨装置および基板研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハ等の基板を研磨して平坦化するポリッシング装置等の基板研磨装置、および半導体ウェハ等の基板を研磨して平坦化する基板研磨方法に関するものである。

近年、半導体デバイスがますます微細化され素子構造が複雑になり、またロジック系の多層配線の層数が増えるに伴い、半導体デバイスの表面の凹凸はますます増え、段差が大きくなる傾向にある。半導体デバイスの製造では薄膜を形成し、パターンニングや開孔を行う微細加工の後、次の薄膜を形成するという工程を何回も繰り返すためである。

半導体デバイスの表面の凹凸が増えると、薄膜形成時に段差部での膜厚が薄くなったり、配線の断線によるオープンや配線層間の絶縁不良によるショートが起こったりするため、良品が取れなかったり、歩留まりが低下したりする傾向がある。また、初期的に正常動作をするものであっても、長時間の使用に対しては信頼性の問題が生じる。更に、リソグラフィ工程における露光時に、照射表面に凹凸があると露光系のレンズ焦点が部分的に合わなくなるため、半導体デバイスの表面の凹凸が増えると微細パターンの形成そのものが難しくなるという問題が生ずる。

従って、半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイス表面の平坦化技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、ポリッシング装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ_２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ半導体ウェハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。

この種のポリッシング装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウェハを保持するためのトップリング又はキャリアヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このようなポリッシング装置を用いて半導体ウェハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウェハを保持しつつ、この半導体ウェハを研磨テーブルに対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより半導体ウェハが研磨面に摺接し、半導体ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。

このようなポリッシング装置において、研磨中の半導体ウェハと研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力が半導体ウェハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウェハの各部分に印加される押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。そのため、基板保持装置の半導体ウェハの保持面をゴム等の弾性材からなる弾性膜で形成し、弾性膜の裏面に空気圧等の流体圧を加え、半導体ウェハに印加する押圧力を全面に亘って均一化することも行われている。

また、上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウェハの外周縁部に加わる押圧力が不均一になり、半導体ウェハの外周縁部のみが多く研磨される、いわゆる「縁だれ」を起こしてしまう場合がある。このような縁だれを防止するため、半導体ウェハの外周縁をガイドリング又はリテーナリングによって保持すると共に、ガイドリング又はリテーナリングによって半導体ウェハの外周縁側に位置する研磨面を押圧する構造を備えた基板保持装置も用いられている。

ところで、半導体ウェハの表面に形成される薄膜は、成膜の際の方法や装置の特性により、半導体ウェハの半径方向の位置によって膜厚が異なる。即ち、半径方向に膜厚分布を持っている。このため、基板保持装置が、研磨テーブルの研磨面に摺接させる基板を複数の領域に区画して、当該領域毎に該研磨面に押圧する押圧力を調整する調整手段を有したポリッシング装置が知られている（特許文献１、２参照）。この装置では、半径方向の押圧力の分布を調整することが可能であり、全体として膜厚分布を平坦化することが可能である。

特開２００３−１０６８０５号公報 特開２００２−１８７０６０号公報

しかしながら、成膜の方法や成膜装置の種類により、上述した半導体ウェハの表面上の膜厚分布も異なる。即ち、膜厚の厚い部分の半径方向の位置やその数、及び膜厚の薄い部分と厚い部分との膜厚の差は、成膜の方法や成膜装置の種類により異なっている。従って、ある特定の膜厚分布にのみ対応した基板研磨装置ではなく、様々な膜厚分布に容易かつ低コストで対応することができる基板研磨装置または基板研磨方法が要望されている。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、半導体ウェハ等の研磨対象物の表面に形成された薄膜の膜厚分布に対応して的確に研磨を行うことができ、研磨後の膜厚の均一性を得ることができる基板研磨装置及び基板研磨方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の基板研磨装置は、研磨面を有する研磨テーブルと、研磨対象の基板を保持して前記研磨テーブルの研磨面に押圧する基板保持装置と、前記基板上に形成されている膜の膜厚を測定する渦電流センサとを備えた基板研磨装置であって、前記基板保持装置は、前記研磨テーブルの研磨面に摺接させる前記基板を複数の領域に区画して、当該領域毎に該研磨面に押圧する押圧力を調整する調整手段を有し、前記渦電流センサのゲインは、前記基板上の膜が所定の膜厚である時に相当する信号以上で飽和するように設定されており、前記渦電流センサは、その測定値の一次微分値に基づいて前記膜が前記所定の膜厚になった時点を検知し、前記渦電流センサの検出部は前記基板を横切るように移動し、前記渦電流センサは、前記検出部の移動中に得られた時系列的な膜厚の測定値を、前記基板の各領域に割り振ることにより、前記各領域の膜厚の測定情報を取得し、前記基板保持装置は、前記基板の領域毎に加える押圧力を、前記渦電流センサによる当該基板上の測定情報に基づいて調整することを特徴とする。

また、上記課題を解決する本発明の基板研磨方法は、基板の複数の領域毎に研磨テーブルの研磨面への押圧力を調整可能な基板保持装置で研磨対象の基板を保持して研磨テーブルの研磨面に押圧することにより当該基板上に形成されている膜を研磨する基板研磨方法であって、渦電流センサを用いて前記基板の膜厚を測定し、前記渦電流センサのゲインを、前記基板上の膜が所定の膜厚である時に相当する信号以上で飽和するように設定し、前記渦電流センサの測定値の一次微分値に基づいて、前記基板上の膜が前記所定の膜厚になった時点を検知し、前記渦電流センサの検出部を前記基板を横切るように移動させ、前記検出部の移動中に得られた時系列的な膜厚の測定値を、前記基板の各領域に割り振ることにより、前記各領域の膜厚の測定情報を取得し、前記基板保持装置の前記基板の領域毎に加える押圧力を、前記渦電流センサによる当該基板上の測定情報に基づいて調整することを特徴とする。

この発明によれば、基板の複数の領域毎の膜厚に応じて研磨テーブルの研磨面に摺接させる押圧力がその領域毎に調整される。したがって、基板上を領域毎の研磨レートで研磨することができ、基板上の膜厚を全体として高精度に加工することができる。ここで、前記基板の複数の領域の膜厚を測定する膜厚測定装置としては、特に研磨中の測定では、渦電流センサを用いるのが、研磨面に開口等を準備する必要がなく好適である。しかしながら、光学、温度、トルク電流、あるいはマイクロ波等により当該基板上の膜厚に応じた信号を出力するセンサを用いるようにしてもよく、またこれらのセンサと併用するようにしてもよい。

また、本発明によれば、半径方向に押圧力の分布を調整可能な基板保持装置と、半径方向に膜厚分布を測定可能な膜厚測定装置とを備えることで、基板保持装置の動作データ（レシピ）を自動調整して、均一により安定した研磨結果を得ることができる。また、例えばＣｕ膜とＴａ等のバリア膜との二層膜を研磨するに際して、膜厚測定装置によりこの中間状態を検出し、押圧力等の研磨条件をＣｕ膜からバリア膜用の条件に切り替えることができる。また、膜厚測定装置自体の例えば渦電流センサの発振器の発振周波数を切り替え、膜厚測定装置自体をバリア膜の検出に好適な条件に切り替えることができる。

本発明によれば、所定の膜厚で研磨モードを切り替える必要がある場合に、オングストロームオーダの膜厚を正確に検知することができる。したがって、研磨装置の動作モード（レシピ）を、例えばバリア層用に切り替えることで、高精度な研磨処理が実行可能となる。そして、基板の各領域毎の膜厚に応じて研磨テーブルの研磨面に摺接させる押圧力をその各領域毎に調整することにより、基板上を各領域毎の研磨レートで研磨することができ、基板上の膜厚を高精度に加工することができる。したがって、基板の研磨面内において研磨レートなどを調整して、基板上の膜材料を除去を含めて高精度な膜厚にすることができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１〜図２４は本発明に係る基板研磨方法を実行する基板研磨装置の一実施形態を示す図である。

図１は、本発明に係る基板研磨装置の各部の配置構成を示す平面図である。この基板研磨装置は、研磨面を有する研磨テーブルと、研磨対象の基板を保持して研磨テーブルの研磨面に押圧する基板保持装置と、基板上に形成されている膜の膜厚を測定する膜厚測定装置と、を備えている。

この基板研磨装置は、走行レール１００３上を移動する搬送ロボット１００４がカセット１００１内にストックされている半導体ウェハなどの基板の取出・収納を行うとともに、その未研磨・研磨済みの基板を載置台１０５０および搬送ロボット１０２０に中継させてロータリートランスポーター１０２７との間を往復させる。そして、そのロータリートランスポーター１０２７上の基板を後述する基板保持装置のトップリング１に保持させつつ研磨テーブル１００上に位置させることにより、複数枚の基板を連続して研磨処理することができるように、この基板研磨装置はシステム化されている。なお、図１において、１００５，１０２２は洗浄機であり、研磨後の基板を洗浄乾燥することができるように構成されている。また、１０３６も研磨テーブルであり、基板を２段研磨することができるように構成されている。１０３８，３０００は研磨テーブル１００，１０３６のドレッシングを行うためのドレッサであり、１０４３はそのドレッサ１０３８を洗浄するための水桶である。

この基板研磨装置には、研磨後に洗浄及び乾燥処理が完了した半導体ウェハ等の膜厚を測定するIn-line膜厚測定装置２００’を備えている。図１に示すように、搬送ロボット１００４が研磨後のウェハをカセット１００１内に収納する前、もしくは搬送ロボット１００４が研磨前のウェハをカセット１００１から取出した後（In-line）に、センサコイルによる渦電流信号、光学的手段による研磨面への入射および反射の光学信号、研磨面の温度信号、あるいはマイクロ波の反射信号などの単独または適切なる組合せから、その半導体ウェハなどの基板の導電性膜のＣｕ膜やバリア層または、酸化膜等の絶縁膜の膜厚を測定する膜厚測定装置（測定手段）２００’が配置されている。そして、この基板研磨装置は、その基板の研磨中または／および研磨後に、導電性膜が配線部などの必要な領域を除いて除去され、または絶縁膜が除去されることをこれらのセンサ信号や計測値を監視することにより検出して、ＣＭＰプロセスの終点を決定し、適切な研磨処理を繰り返すことができるようになっている。

また、図示しないが、研磨テーブル１００には、研磨中の半導体ウェハ等の膜厚を測定するIn-situ膜厚測定装置を備えている。そして、これらの測定結果は、後述するコントローラに伝達され、研磨装置の動作データ（レシピ）の修正等に用いられる。そして、研磨ステップの各研磨プロセスの条件、たとえば研磨テーブル、トップリングの回転数、圧力等と連動して、センサ出力を単独または組合せることで、研磨ステップ毎の研磨対象物の金属膜、酸化膜などの非金属の厚膜から薄膜までの膜厚計測、相対増減変化を検出することで、研磨工程における各種の条件設定、例えば研磨終点の検出に用いられる。そして、これらの膜厚測定装置では、半導体ウェハの半径方向に区画された各領域の膜厚の計測が可能であり、基板保持装置の半導体ウェハの領域毎に加える押圧力は、膜厚測定装置による当該領域毎の膜厚の測定情報に基づいて調整される。

この基板研磨装置の基板保持装置は、上述したように研磨対象である半導体ウェハ等の基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧して研磨する装置である。図２に示すように、基板保持装置を構成するトップリング１の下方には、上面に研磨パッド（研磨布）１０１を貼付した研磨テーブル１００が設置されている。また、研磨テーブル１００の上方には研磨液供給ノズル１０２が設置されており、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Ｑが供給されるようになっている。

なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ロデール社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）になっており、その表面に多数の微細なへこみ又は孔を有している。

トップリング１は、自在継手部１０を介してトップリング駆動軸１１に接続されており、トップリング駆動軸１１はトップリングヘッド１１０に固定されたトップリング用エアシリンダ１１１に連結されている。このトップリング用エアシリンダ１１１によってトップリング駆動軸１１は上下動し、トップリング１の全体を昇降させると共にトップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３を研磨テーブル１００に押圧するようになっている。トップリング用エアシリンダ１１１はレギュレータＲＥ１を介して圧縮空気源１２０に接続されており、レギュレータＲＥ１によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧空気の空気圧等の流体圧力を調整することができる。これにより、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を調整することができる。

また、トップリング駆動軸１１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。従って、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、及びタイミングプーリ１１３を介して回転筒１１２及びトップリング駆動軸１１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）に固定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。

次に、基板保持装置を構成するトップリング１について、図３および図４を用いてより詳細に説明する。図３は本実施形態におけるトップリング１を示す縦断面図、図４は図３に示すトップリング１の底面図である。

図３に示すように、基板保持装置を構成するトップリング１は、内部に収容空間を有する円筒容器状のトップリング本体２と、トップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３とを備えている。トップリング本体２は金属やセラミックス等の強度及び剛性が高い材料から形成されている。また、リテーナリング３は、剛性の高い樹脂材又はセラミックス等から形成されている。

トップリング本体２は、円筒容器状のハウジング部２ａと、ハウジング部２ａの円筒部の内側に嵌合される環状の加圧シート支持部２ｂと、ハウジング部２ａの上面の外周縁部に嵌合された環状のシール部２ｃとを備えている。トップリング本体２のハウジング部２ａの下端に固定されているリテーナリング３の下部は内方に突出している。なお、リテーナリング３をトップリング本体２と一体的に形成することとしてもよい。

トップリング本体２のハウジング部２ａの中央部の上方には、上述したトップリング駆動軸１１が配設されており、トップリング本体２とトップリング駆動軸１１とは自在継手部１０により連結されている。この自在継手部１０は、トップリング本体２及びトップリング駆動軸１１とを互いに傾動可能とする球面軸受け機構と、トップリング駆動軸１１の回転をトップリング本体２に伝達する回転伝達機構とを備えており、トップリング駆動軸１１からトップリング本体２に対して互いの傾動を許容しつつ押圧力及び回転力を伝達する。

球面軸受機構は、トップリング駆動軸１１の下面の中央に形成された球面状凹部１１ａと、ハウジング部２ａの上面の中央に形成された球面状凹部２ｄと、両凹部１１ａ、２ｄ間に介装されたセラミックスのような高硬度材料からなるベアリングボール１２とから構成されている。一方、回転伝達機構は、トップリング駆動軸１１に固定された駆動ピン（図示せず）とハウジング部２ａに固定された被駆動ピン（図示せず）とから構成される。トップリング本体２が傾いても被駆動ピンと駆動ピンは相対的に上下方向に移動可能であるため、これらは互いの接触点をずらして係合し、回転伝達機構がトップリング駆動軸１１の回転トルクをトップリング本体２に確実に伝達する。

トップリング本体２及びトップリング本体２に一体に固定されたリテーナリング３の内部に画成された空間内には、トップリング１によって保持される半導体ウェハＷに当接する弾性パッド４と、環状のホルダーリング５と、弾性パッド４を支持する概略円盤状のチャッキングプレート６とが収容されている。弾性パッド４は、その外周部がホルダーリング５とホルダーリング５の下端に固定されたチャッキングプレート６との間に挟み込まれており、チャッキングプレート６の下面を覆っている。これにより弾性パッド４とチャッキングプレート６との間には空間が形成されている。

なお、チャッキングプレート６は金属材料から形成されていてもよいが、研磨すべき半導体ウェハがトップリングに保持された状態で、後述する渦電流を用いた膜厚測定方法でその表面に形成された薄膜の膜厚を測定する場合などにおいては、磁性を持たない材料、例えば、４フッ化エチレン樹脂などのフッ素系樹脂、もしくはＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）などのセラミックスなどの絶縁性の材料から形成されていることが好ましい。

ホルダーリング５とトップリング本体２との間には弾性膜からなる加圧シート７が張設されている。この加圧シート７は、一端をトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込み、他端をホルダーリング５の上端部５ａとストッパ部５ｂとの間に挟み込んで固定されている。トップリング本体２、チャッキングプレート６、ホルダーリング５、及び加圧シート７によってトップリング本体２の内部に圧力室２１が形成されている。図３に示すように、圧力室２１にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３１が連通されており、圧力室２１は流体路３１上に配置されたレギュレータＲＥ２を介して圧縮空気源１２０に接続されている。なお、加圧シート７は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなどの強度及び耐久性に優れたゴム材によって形成されている。

なお、加圧シート７がゴムなどの弾性体である場合に、加圧シート７をリテーナリング３とトップリング本体２との間に挟み込んで固定した場合には、弾性体としての加圧シート７の弾性変形によってリテーナリング３の下面において好ましい平面が得られなくなってしまう。従って、これを防止するため、本実施形態では、別部材として加圧シート支持部２ｂを設けて、これをトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込んで固定している。なお、特願平８−５０９５６（特開平９−１６８９６４）や特願平１１−２９４５０３に記載されているように、リテーナリング３をトップリング本体２に対して上下動可能としたり、リテーナリング３をトップリング本体２とは独立に押圧可能な構造としたりすることもでき、このような場合には、必ずしも上述した加圧シート７の固定方法が用いられるとは限らない。

トップリング本体２のシール部２ｃが嵌合されるハウジング部２ａの上面の外周縁付近には、環状の溝からなる洗浄液路５１が形成されている。この洗浄液路５１はシール部２ｃの貫通孔５２を介して流体路３２に連通されており、この流体路３２を介して洗浄液（純水）が供給される。また、洗浄液路５１からハウジング部２ａ、加圧シート支持部２ｂを貫通する連通孔５３が複数箇所設けられており、この連通孔５３は弾性パッド４の外周面とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇへ連通されている。

弾性パッド４とチャッキングプレート６との間に形成される空間の内部には、弾性パッド４に当接する当接部材としてのセンターバッグ８（中心部当接部材）及びリングチューブ９（外側当接部材）が設けられている。本実施形態においては、図３及び図４に示すように、センターバッグ８はチャッキングプレート６の下面の中心部に配置され、リングチューブ９はこのセンターバッグ８の周囲を取り囲むようにセンターバッグ８の外側に配置されている。なお、弾性パッド４、センターバッグ８及びリングチューブ９は、加圧シート７と同様に、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度及び耐久性に優れたゴム材によって形成されている。

チャッキングプレート６と弾性パッド４との間に形成される空間は、上記センターバッグ８及びリングチューブ９によって複数の空間に区画されており、これによりセンターバッグ８とリングチューブ９の間には圧力室２２が、リングチューブ９の外側には圧力室２３がそれぞれ形成されている。

センターバッグ８は、弾性パッド４の上面に当接する弾性膜８１と、弾性膜８１を着脱可能に保持するセンターバッグホルダー８２（保持部）とから構成されている。センターバッグホルダー８２にはネジ穴８２ａが形成されており、このネジ穴８２ａにネジ５５を螺合させることにより、センターバッグ８がチャッキングプレート６の下面の中心部に着脱可能に取付けられている。センターバッグ８の内部には、弾性膜８１とセンターバッグホルダー８２とによって中心部圧力室２４が形成されている。

同様に、リングチューブ９は、弾性パッド４の上面に当接する弾性膜９１と、弾性膜９１を着脱可能に保持するリングチューブホルダー９２（保持部）とから構成されている。リングチューブホルダー９２にはネジ穴９２ａが形成されており、このネジ穴９２ａにネジ５６を螺合させることにより、リングチューブ９がチャッキングプレート６の下面に着脱可能に取付けられている。リングチューブ９の内部には、弾性膜９１とリングチューブホルダー９２とによって中間部圧力室２５が形成されている。

圧力室２２，２３、中心部圧力室２４、及び中間部圧力室２５には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３３，３４，３５，３６がそれぞれ連通されており、各圧力室２２〜２５はそれぞれの流体路３３〜３６上に配置されたレギュレータＲＥ３，ＲＥ４，ＲＥ５，ＲＥ６を介して供給源としての圧縮空気源１２０に接続されている。なお、上記流体路３１〜３６は、トップリングシャフト１１０の上端部に設けられたロータリージョイント（図示せず）を介してそれぞれ純水供給源、及び各レギュレータＲＥ２〜ＲＥ６に接続されている。

上述したチャッキングプレート６の上方の圧力室２１及び上記圧力室２２〜２５には、各圧力室に連通される流体路３１，３３，３４，３５，３６を介して加圧空気等の加圧流体又は大気圧や真空が供給されるようになっている。図２に示すように、圧力室２１〜２５の流体路３１，３３，３４，３５，３６上に配置されたレギュレータＲＥ２〜ＲＥ６によってそれぞれの圧力室に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室２１〜２５の内部の圧力を各々独立に制御する又は大気圧や真空にすることができるようになっている。このように、レギュレータＲＥ２〜ＲＥ６によって各圧力室２１〜２５の内部の圧力を独立に可変とすることにより、弾性パッド４を介して半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分（区画領域）毎に調整することができる。なお、場合によっては、これらの圧力室２１〜２５を真空源１２１に接続することとしてもよい。

この場合において、各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体や大気圧の温度をそれぞれ制御することとしてもよい。このようにすれば、半導体ウェハ等の研磨対象物の被研磨面の裏側から研磨対象物の温度を直接制御することができる。特に、各圧力室の温度を独立に制御することとすれば、ＣＭＰにおける化学的研磨の化学反応速度を制御することが可能となる。

弾性パッド４には、図４に示すように複数の開口部４１が設けられている。そして、センターバッグ８とリングチューブ９との間の開口部４１から露出するようにチャッキングプレート６から下方に突出する内周部吸着部６１が設けられており、また、リングチューブ９の外側の開口部４１から露出するように外周部吸着部６２が設けられている。本実施形態においては、弾性パッド４には８個の開口部４１が設けられ、各開口部４１に吸着部６１，６２が露出するように設けられている。

内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２には、流体路３７，３８にそれぞれ連通する連通孔６１ａ，６２ａがそれぞれ形成されており、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２は流体路３７，３８及びバルブＶ１，Ｖ２を介して真空ポンプ等の真空源１２１に接続されている。そして、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ，６２ａが真空源１２１に接続されると、連通孔６１ａ，６２ａの開口端に負圧が形成され、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２に半導体ウェハＷが吸着される。なお、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面には薄いゴムシート等からなる弾性シート６１ｂ，６２ｂが貼着されており、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２は半導体ウェハＷを柔軟に吸着保持するようになっている。

また、図３に示すように、半導体ウェハＷの研磨中には、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２は弾性パッド４の下端面より上方に位置して、弾性パッド４の下端面より突出することはない。半導体ウェハＷを吸着する際には、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面は弾性パッド４の下端面と略同一面になる。

ここで、弾性パッド４の外周面とリテーナリング３との間には、わずかな間隙Ｇがあるので、ホルダーリング５とチャッキングプレート６及びチャッキングプレート６に取付けられた弾性パッド４等の部材は、トップリング本体２及びリテーナリング３に対して上下方向に移動可能で、フローティングする構造となっている。ホルダーリング５のストッパ部５ｂには、その外周縁部から外方に突出する突起５ｃが複数箇所に設けられており、この突起５ｃがリテーナリング３の内方に突出している部分の上面に係合することにより、上記ホルダーリング５等の部材の下方への移動が所定の位置までに制限される。

次に、このように構成されたトップリング１の動作について説明する。

上記構成の基板研磨装置において、半導体ウェハＷの搬送時には、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ，６２ａを、流体路３７，３８を介して真空源１２１に接続する。連通孔６１ａ，６２ａの吸引作用により内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面に半導体ウェハＷが真空吸着される。そして、半導体ウェハＷを吸着した状態でトップリング１を移動させ、トップリング１の全体を研磨面（研磨パッド１０１）を有する研磨テーブル１００の上方に位置させる。なお、半導体ウェハＷの外周縁はリテーナリング３によって保持され、半導体ウェハＷがトップリング１から飛び出さないようになっている。

研磨時には、吸着部６１，６２による半導体ウェハＷの吸着を解除し、トップリング１の下面に半導体ウェハＷを保持させると共に、トップリング駆動軸１１に連結されたトップリング用エアシリンダ１１１を作動させてトップリング１の下端に固定されたリテーナリング３を所定の押圧力で研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。この状態で、圧力室２２，２３、中心部圧力室２４、及び中間部圧力室２５にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。そして、研磨液供給ノズル１０２から研磨液Ｑを流すことにより、研磨パッド１０１に研磨液Ｑが保持され、半導体ウェハＷの研磨される面（下面）と研磨パッド１０１との間に研磨液Ｑが存在した状態で研磨が行われる。

ここで、半導体ウェハＷの圧力室２２，２３の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室２２，２３に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。また、半導体ウェハＷの中心部圧力室２４の下方に位置する部分は、センターバッグ８の弾性膜８１及び弾性パッド４を介して、中心部圧力室２４に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。半導体ウェハＷの中間部圧力室２５の下方に位置する部分は、リングチューブ９の弾性膜９１及び弾性パッド４を介して、中間部圧力室２５に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。

従って、半導体ウェハＷに加わる研磨圧力は、各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ制御することにより、半導体ウェハＷの半径方向に各部分毎に調整することができる。即ち、後述するコントローラ（制御部）４００がレギュレータＲＥ３〜ＲＥ６（調整手段）によって各圧力室２２〜２５に供給する加圧流体の圧力をそれぞれ独立に調整し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分毎に調整している。このように、半導体ウェハＷの部分毎に研磨圧力が所望の値に調整された状態で、回転している研磨テーブル１００の上面の研磨パッド１０１に半導体ウェハＷが押圧される。同様に、レギュレータＲＥ１によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧流体の圧力を調整し、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を変更することができる。このように、研磨中に、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力と半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を適宜調整することにより、半導体ウェハＷの中心部（図４のＣ１）、中心部から中間部（Ｃ２）、外方部（Ｃ３）、そして周縁部（Ｃ４）、更には半導体ウェハＷの外側にあるリテーナリング３の外周部までの各部分における研磨圧力の分布を所望の分布とすることができる。

なお、半導体ウェハＷの圧力室２２，２３の下方に位置する部分には、弾性パッド４を介して流体から押圧力が加えられる部分と、開口部４１の箇所のように、加圧流体の圧力そのものが半導体ウェハＷに加わる部分とがあるが、これらの部分に加えられる押圧力は、同一圧力でもよく、それぞれ任意の圧力でも押圧ができる。また、研磨時には、弾性パッド４は開口部４１の周囲において半導体ウェハＷの裏面に密着するため、圧力室２２，２３の内部の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。

このように、半導体ウェハＷを同心の４つの円及び円環部分（Ｃ１〜Ｃ４）に区画し、それぞれの部分（領域）を独立した押圧力で押圧することができる。研磨レートは半導体ウェハＷの研磨面に対する押圧力に依存するが、上述したように各部分の押圧力を制御することができるので、半導体ウェハＷの４つの部分（Ｃ１〜Ｃ４）の研磨レートを独立に制御することが可能となる。従って、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜の膜厚に半径方向の分布があっても、半導体ウェハ全面に亘って研磨の不足や過研磨をなくすことができる。即ち、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜が、半導体ウェハＷの半径方向の位置によって膜厚が異なっている場合であっても、上記各圧力室２２〜２５のうち、半導体ウェハＷの表面の膜厚の厚い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも高くすることにより、あるいは、半導体ウェハＷの表面の膜厚の薄い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも低くすることにより、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となり、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに半導体ウェハＷの全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。

ここで、半導体ウェハＷの周縁部に起こる縁だれは、リテーナリング３の押圧力を制御することにより防止することができる。また、半導体ウェハＷの周縁部において研磨すべき薄膜の膜厚に大きな変化がある場合には、リテーナリング３の押圧力を意図的に大きく、あるいは、小さくすることで、半導体ウェハＷの周縁部の研磨レートを制御することができる。なお、上記各圧力室２２〜２５に加圧流体を供給すると、チャッキングプレート６は上方向の力を受けるので、本実施形態では、圧力室２１には流体路３１を介して圧力流体を供給し、各圧力室２２〜２５からの力によりチャッキングプレート６が上方に持ち上げられるのを防止している。

上述のようにして、トップリング用エアシリンダ１１１によるリテーナリング３の研磨パッド１０１への押圧力と、各圧力室２２〜２５に供給する加圧空気による半導体ウェハＷの部分毎の研磨パッド１０１への押圧力とを適宜調整して半導体ウェハＷの研磨が行われる。そして、研磨が終了した際は、半導体ウェハＷを内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面に再び真空吸着する。この時、半導体ウェハＷを研磨面に対して押圧する各圧力室２２〜２５への加圧流体の供給を止め、大気圧に開放することにより、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面を半導体ウェハＷに当接させる。また、圧力室２１内の圧力を大気圧に開放するか、もしくは負圧にする。これは、圧力室２１の圧力を高いままにしておくと、半導体ウェハＷの内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２に当接している部分のみが、研磨面に強く押圧されることになってしまうためである。従って、圧力室２１の圧力を速やかに下げる必要があり、図３に示すように、圧力室２１からトップリング本体２を貫くようにリリーフポート３９を設けて、圧力室２１の圧力が速やかに下がるようにしてもよい。この場合には、圧力室２１に圧力をかける際には流体路３１から常に圧力流体を供給し続ける必要がある。また、リリーフポート３９は逆止弁を備えており、圧力室２１内を負圧にする際には外気が圧力室２１に入らないようにしている。

上述のように半導体ウェハＷを吸着させた後、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ，６２ｂから半導体ウェハＷに流体（例えば、圧縮空気もしくは窒素と純水を混合したもの）を噴射して半導体ウェハＷをリリースする。

ところで、弾性パッド４の外周面とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇには、研磨に用いられる研磨液Ｑが侵入してくるが、この研磨液Ｑが固着すると、ホルダーリング５、チャッキングプレート６、及び弾性パッド４などの部材のトップリング本体２及びリテーナリング３に対する円滑な上下動が妨げられる。そのため、流体路３２を介して洗浄液路５１に洗浄液（純水）を供給する。これにより、複数の連通孔５３より間隙Ｇの上方に純水が供給され、純水が間隙Ｇを洗い流して上述した研磨液Ｑの固着が防止される。この純水の供給は、研磨後の半導体ウェハがリリースされ、次に研磨される半導体ウェハが吸着されるまでの間に行われるのが好ましい。また、次の研磨までに供給された純水が全て外部に排出されるように、リテーナリング３には図３に示すような複数の貫通孔３ａを設けるのが好ましい。更に、リテーナリング３、ホルダーリング５、及び加圧シート７により形成される空間２６内に圧力がこもっていると、チャッキングプレート６の上昇を妨げることとなるので、スムーズにチャッキングプレート６を上昇させるためにも上記貫通孔３ａを設け、空間２６を大気と同圧にすることが好ましい。

以上説明したように、圧力室２２，２３、センターバッグ８の内部の圧力室２４、及びリングチューブ９の内部の圧力室２５の圧力を独立に制御することにより半導体ウェハに対する押圧力を制御することができる。更に、この基板保持装置によれば、センターバッグ８及びリングチューブ９の位置や大きさなどを変更することによって、押圧力の制御を行う範囲を簡単に変更することができる。

すなわち、半導体ウェハの表面に形成される薄膜の膜厚分布は成膜の方法や成膜装置の種類により変化するが、本発明に係る基板保持装置によれば、半導体ウェハに押圧力を加える圧力室の位置や大きさをセンターバッグ８及びセンターバッグホルダー８２、又はリングチューブ９及びリングチューブホルダー９２を交換するだけで変更することができる。従って、研磨すべき薄膜の膜厚分布に合わせて押圧力を制御すべき位置や範囲をトップリング１の極一部を交換するだけで容易かつ低コストで変更することが可能となる。換言すれば、研磨すべき半導体ウェハの表面の研磨すべき薄膜の膜厚分布に変化があった場合にも、容易かつ低コストで対応することができる。なお、センターバッグ８又はリングチューブ９の形状及び位置を変更すると、結果的にセンターバッグ８とリングチューブ９に挟まれる圧力室２２及びリングチューブ９を取り囲む圧力室２３の大きさを変えることにもなる。

この基板研磨装置の研磨対象の半導体ウェハ上には、配線を形成するための銅めっき膜が成膜されているとともに、その下地材料としてバリア層が成膜されている。この基板研磨装置の研磨対象の半導体ウェハの最上層に酸化シリコン等の絶縁膜が成膜されているときには、光学式センサやマイクロ波センサによりその絶縁膜の膜厚を検知する。光学式センサの光源としては、ハロゲンランプやキセノンフラッシュランプ、ＬＥＤ、レーザー光源などが用いられる。基板研磨装置は、その半導体ウェハ上で不要な領域（配線領域外など）における絶縁膜や導電性膜などの研磨対象膜を除去するために、その研磨対象膜の有無を各種センサにより、例えば図２に示すように、渦電流センサ（膜厚測定装置）２００によりその研磨対象膜２０１の膜厚を検出しつつ、コントローラ４００がその半導体ウェハＷの表面上の研磨処理を制御する。

以下、本発明に係る基板研磨装置のコントローラ４００が実行する基板研磨方法について図５から図９を用いてより詳細に説明する。

図５は、基板研磨装置の概略全体構成を示すブロック図である。コントローラ４００は、操作パネルなどのマン−マシンインターフェイス４０１からの入力や、各種データ処理を行うホストコンピュータ４０２からの入力に基づいて、所望形状などの目標プロフィールになるように半導体ウェハＷを目標研磨レート（研磨量）で研磨する。閉ループ制御システム４０３は、不図示のハードディスク装置内などに予め格納準備されているシミュレーションソフトに従って、半導体ウェハＷの領域Ｃ１〜Ｃ４毎に対応する研磨レシピ（研磨条件等）を自動作成するようになっている。そして、その研磨レシピをメモリ（記憶手段）４０４内に一時記憶させて、その研磨レシピに応じた研磨の制御処理を実行する。この研磨処理においては、膜厚測定装置２００，２００’からの測定結果に基づいて、演算回路４０５により算出した研磨対象膜２０１の膜厚や研磨量を、目標プロフィールや目標研磨レートなどと比較・検討し、その結果に応じて研磨レシピを修正するフィードバック処理を行うことにより、最適条件で半導体ウェハＷの研磨処理を繰り返すようになっている。

この研磨処理のフィードバック処理は、半導体ウェハの研磨工程の終了後または研磨処理中のいずれで行うかを選択設定することができ、コントローラ４００は、その選択設定に従って研磨後または研磨中の一方あるいは双方において研磨レシピの修正を行う。

具体的には、図６に示すように、オペレータにより、ホストコンピュータ４０２からドライシステム（研磨後の乾燥状態での膜厚測定）が選択入力されるとともに、目標プロフィールや研磨レート（リムーバルレート）が入力設定されると（ステップＳ１）、シミュレーションソフトで研磨レシピを自動作成し（ステップＳ２）、そのレシピの研磨条件をホストコンピュータ４０２のモニターなどに表示して修正の要否を判断・入力することをオペレータに要求し（ステップＳ３）、修正が必要な場合にはその修正入力に従ってレシピの修正処理を行った後に（ステップＳ４）、研磨処理をスタートする（ステップＳ５）。

そして、その研磨レシピに従った研磨処理を実行・完了するとともに研磨処理回数Ｎをインクリメント（＋１）した後に（ステップＳ１１）、研磨した半導体ウェハＷの洗浄・乾燥を行う（ステップＳ１２，Ｓ１３）。

この後に、ドライシステム（研磨後の乾燥した状態での膜厚測定）においては、膜厚測定装置２００’により半導体ウェハＷの研磨対象膜２０１の膜厚を測定して（ステップＳ１４）、絶縁膜あるいは金属膜を研磨済みの半導体ウェハＷを特定する識別子と共にその研磨結果を格納（記憶）する。これと同時に、その半導体ウェハＷをカセット１００１内に戻して収納する処理を行う（ステップＳ１５）。この収納処理と並行して、研磨済みの半導体ウェハＷの研磨対象膜２０１の膜厚測定結果に応じてシミュレーションソフトにより、研磨時間や半導体ウェハＷの領域Ｃ１〜Ｃ４毎の研磨パッド１０１への押圧力などの研磨条件の研磨レシピを修正する自動作成処理を行った後に（ステップＳ１６）、ステップＳ１１に戻って、次の半導体ウェハＷ、あるいは数回後に研磨されるウェハの研磨処理を繰り返す。また、測定されたウェハに絶縁膜や導電性膜等の研磨対象膜が完全に除去されずに一部残存している場合は、その研磨対象膜の残存部のみを研磨するよう（研磨済みの部分を過研磨しないよう）に、残存部に対応する領域の圧力室のみに加圧するなど、再研磨条件を作成し、再研磨を行う。
また、上記ドライシステムは、主に研磨後のウェハを測定すればよいから、乾燥後のウェハでなくても、研磨後で、かつ乾燥前のウェハを測定する膜厚測定器を用いてもよい。

一方、ホストコンピュータ４０２からウェットシステム（研磨中の濡れている状態での膜厚測定）が選択入力された場合にも同様に、図７に示すように、目標プロフィールや研磨レートが入力設定されると（ステップＳ１）、シミュレーションソフトで研磨レシピを自動作成して、研磨処理をスタートした後に（ステップＳ２〜Ｓ５）、その研磨レシピに従った研磨処理の途中に、研磨処理回数（レシピ作成数）Ｎをインクリメント（＋１）するとともに（ステップＳ２１）、渦電流センサ（膜厚測定装置）２００あるいは光学センサ、マイクロ波センサにより半導体ウェハＷの研磨対象膜２０１の膜厚を測定する（ステップＳ２２）。

この半導体ウェハＷの研磨対象膜２０１の膜厚測定結果が研磨処理を追加する必要がある程度にその研磨対象膜２０１が残留している場合には、その半導体ウェハＷの研磨対象膜２０１の膜厚測定結果に応じてシミュレーションソフトにより研磨条件を修正する研磨レシピの自動作成処理を行った後に（ステップＳ２３）、テップＳ２１に戻って、同一の半導体ウェハＷの研磨処理を繰り返す。その一方で、半導体ウェハＷの研磨対象膜２０１の膜厚測定結果が研磨処理の追加が不要な場合には、研磨の完了した半導体ウェハＷの洗浄・乾燥を行って（ステップＳ２４，Ｓ２５）、その研磨済みの半導体ウェハＷの研磨結果などの格納処理やカセット１００１内への収納処理を行って（ステップＳ２６）、ステップＳ２１に戻って、次の半導体ウェハＷの研磨処理を繰り返す。

ここで、上記のシミュレーションソフトによる研磨レシピの修正は、図８に示すように、目標プロフィールと現実のプロフィールを比較して（ステップＳ３１）、半導体ウェハＷの領域Ｃ１〜Ｃ４毎における研磨レートの差をその各領域毎の押圧力差に変換するとともに（ステップＳ３２）、目標研磨レートと現実の研磨レートとを比較して（ステップＳ３３）、半導体ウェハＷの各領域Ｃ１〜Ｃ４を研磨するのに必要な時間を計算し（ステップＳ３４）、研磨条件における各領域の押圧力や研磨時間などを調整する研磨レシピを自動作成する。これとともに、これらを反映した自動補正を行って（ステップＳ３５）、次の半導体ウェハＷの研磨処理を実行するための修正研磨レシピを自動作成する（ステップＳ３６）。これにより、半導体ウェハを半径方向に沿って均一に研磨することができる。

また、上記のIn-situにおける半導体ウェハＷの研磨対象膜２０１の膜厚測定は、その半導体ウェハの各領域Ｃ１〜Ｃ４の特定領域、あるいは全領域において、所望の研磨処理が完了しているか否かを判定するために測定するものであるため、その判定方式を適宜選択設定して実行すればよい。例えば、特定領域の測定結果や領域個々の測定結果や測定結果の平均値などを用いて、研磨対象膜２０１の除去完了や予め決めておいた所定研磨対象膜厚値などを、その測定値自体の時間的変化パターンで判定する。また、その測定結果の時間的変化を１次微分あるいはｎ次微分して判定し易くすることもできる。

具体的には、図９に示すように、その研磨対象膜２０１の膜質や膜種などに応じて、その測定結果や微分値などが、設定値以上になるタイミング（検出パターン０）、設定値以下になるタイミング（検出パターン１）、極大値を取るタイミング（検出パターン２）、極小値を取るタイミング（検出パターン３）、上昇を開始するタイミング（検出パターン４）、上昇が終了したタイミング（検出パターン５）、下降を開始するタイミング（検出パターン６）、下降が終了したタイミング（検出パターン７）等により、所望の研磨処理が完了したと判定することができる。また、その微分値（勾配）が指定範囲内に入る、あるいは極大値または極小値を取るタイミング（検出パターン８〜１０）に、所望の研磨処理が完了したと判定することもできる。さらに、特定の測定結果が指定範囲内に入って収束するタイミング（検出パターン１１）に所望の研磨処理が完了したと判定することもできる。さらに、より高い均一性を求める場合には、全領域の測定結果の全てが指定範囲内に入った（収束した）タイミング（検出パターン１２）に、所望の研磨処理が完了したと判定することもできる。

また例えば、膜厚測定値の一次微分値を監視対象とする。被測定対象であるウェハの予め指定した複数の領域（例えば所定半径値範囲や基準点からみた所定角度範囲）のうちで指定したウェハ領域と別のウェハ領域の膜厚測定一次微分値差を算出する。この差が所定のしきい値範囲内に入った点を特徴点（例えば、終点）として検出することも考えられる。更には渦電流センサの研磨開始時点からのインピーダンス積分値Ｓｚ（もしくはレジスタンス値Ｓｘやリアクタンス値Ｓｙ、膜厚積分値Ｓｔ）を計算し、前もって基準となる前述したインピーダンス積分値Ｓ0と比較演算することで研磨状態モニター、研磨終点モニターに使用することができる。

このようにして研磨対象膜２０１の膜厚を判定することにより、その膜厚自体を測定することができるとともに、研磨処理中に研磨対象膜のＣｕ層やバリア層の研磨終了を検出する必要がある場合には、迅速にそのタイミングを検知して、研磨処理を直ちに終了するなどを実行することができる。また後述する渦電流センサではバリア層として使用されるタングステン（Ｗ）の膜厚が１０００Åで低圧研磨プロセスに変えて研磨速度を遅くする、といった要求があっても金属膜の絶対膜厚値が随時測定できるため、膜厚値をモニターしながら低圧研磨プロセスに変更することができ、デイッシングやエロージョン量の低減が達成できる。渦電流モニターを使用することで光学式モニターではIn-situで計測が困難であった薄いバリア膜やＣＶＤ成膜も膜厚変化モニターが可能になった。
また渦電流センサでは渦電流が形成される領域において、金属がベタ膜状（ある領域全体を覆うような膜形状）に存在していれば、金属バリアの終点検出が可能である。このとき、面内均一性やウェハ特定領域の研磨速度（研磨レート）などの膜厚測定結果が、予め設定されている限界値や限界範囲を超えるような異常が発生した場合には、直ちに異常発生処理を行って研磨動作を停止し、また、半導体ウェハに傷などの欠陥がある場合の測定結果が取得された場合には、その旨を研磨結果に添付することが好ましい。

このように本実施形態においては、半導体ウェハＷの領域Ｃ１〜Ｃ４毎の膜厚に応じて、研磨パッド１０１に押圧する押圧力をその領域Ｃ１〜Ｃ４毎に調整することができ、半導体ウェハＷの研磨対象膜２０１をその膜厚等の形状や膜質などに応じた研磨レートで研磨することができる。したがって、半導体ウェハＷの研磨対象膜２０１を高精度に研磨・除去することができる。ここで、研磨対象膜のうち、導電性膜研磨プロセスにおいては、ウェット処理の膜厚測定装置としては、研磨パッド１０１に窓等の開口を形成する加工を省いて低コスト且つ高精度に半導体ウェハＷの研磨処理を行うことができることから、以下に詳述する渦電流センサが好適である。しかしながら、研磨対象物の特性により、マイクロ波センサ、光学センサ等を用いるようにしても勿論よい。

以下、本発明に係る基板研磨装置が備える膜厚測定装置を構成する渦電流センサ（膜厚測定装置）２００について、図１０から図２４を用いてより詳細に説明する。

渦電流センサ（膜厚測定装置）２００は、図１０（ａ）に示すように、検出対象の導電性膜２０１’の近傍にセンサコイル２０２を配置し、そのコイルに交流信号源２０３が接続されている。ここで、検出対象の導電性膜２０１’は例えば半導体ウェハＷ上に形成された厚さが０〜１μｍ程度の銅めっき膜（Ａｕ，Ｃｒ，Ｗなどのメタル材料の蒸着膜でもよい）、あるいはその下地に形成された厚さがオングストロームオーダのバリア層である。バリア層は、Ｔａ，ＴａＮ，Ｔｉ，ＴｉＮ，ＷＮなどからなる高抵抗層であり、この膜厚検出は上述した化学機械研磨における終点を正確に検出する上で重要である。センサコイル２０２は、検出用のコイルであり、検出対象の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。また渦電流センサの測定対象としてはＡｌ（アルミニウム膜）、コンタクトプラグに使用されるポリシリコン、ハードディスク磁気ヘッドに使用されるＣｏＦｅ，Ｚｒ（ジルコニア）などの導電性物質、金属物質が挙げられる。もちろん半導体ウェハ上に成膜された金属膜や金属配線パターンを含む半導体基板も測定対象である。

渦電流センサには、導電性膜２０１’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膜厚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膜厚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１０（ｂ）に示す等価回路において、渦電流I_２が変化することで、インピーダンスＺが変化し、信号源（可変周波数発振器）２０３の発振周波数が変化すると、検波回路２０５でこの発振周波数の変化を検出し、膜厚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１０（ｂ）に示す等価回路において、渦電流I_２が変化することで、インピーダンスＺが変化し、信号源（固定周波数発振器）２０３から見たインピーダンスＺが変化すると、検波回路２０５でこのインピーダンスＺの変化を検出し、膜厚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、信号出力X、Y、位相、合成インピーダンスＺ、が後述するように取り出される。周波数F、またはインピーダンスＸ、Ｙ等から、変換した膜厚値により、金属膜Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｗ、バリヤ膜Ｔａ，ＴａＮ，Ｔｉ，ＴｉＮ，ＷＮ、コンタクトプラグのポリシリコン等の膜厚の測定情報が得られる。これらを単独、複合、または組合せて終点検出等の研磨工程の判断に用いることができる。渦電流センサは研磨テーブル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、半導体ウェハ上の導電性膜に流れる渦電流からその膜厚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、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２０３は、２〜８ＭＨｚ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２０３により供給される交流電圧により、センサコイル２０２に電流Ｉ_１が流れる。導電性膜２０１’の近傍に配置されたコイル２０２に電流が流れることで、この磁束が導電性膜２０１’と鎖交することでその間に相互インダクタンスＭが形成され、導電性膜２０１’中に渦電流Ｉ_２が流れる。ここでＲ１はセンサコイルを含む一次側の等価抵抗であり、Ｌ_１は同様にセンサコイルを含む一次側の自己インダクタンスである。導電性膜２０１’側では、Ｒ２は渦電流損に相当する等価抵抗であり、Ｌ_２はその自己インダクタンスである。交流信号源２０３の端子ａ，ｂからセンサコイル側を見たインピーダンスＺは、導電性膜２０１’中に形成される渦電流損の大きさによって変化する。

図１１は、本実施形態の渦電流センサにおけるセンサコイルの構成例を示す。センサコイル２０２は、導電性膜に渦電流を形成するためのコイルと、導電性膜の渦電流を検出するためのコイルとを分離したもので、ボビン３１１に巻回された３層のコイル３１２，３１３，３１４により構成されている。ここで中央のコイル３１２は、交流信号源２０３に接続される発振コイルである。この発振コイル３１２は、交流信号源２０３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Ｗ上の導電性膜２０１’に渦電流を形成する。ボビン３１１の上側（導電性膜側）には、検出コイル３１３が配置され、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。そして、発振コイル３１２の検出コイル３１３と反対側にはバランスコイル３１４が配置されている。

図１２は、各コイルの接続例を示す。コイル３１２，３１３，３１４は、この実施形態においては同じターン数（１〜２０ｔ）のコイルにより形成され、検出コイル３１３とバランスコイル３１４とは互いに正相に接続されている。

検出コイル３１３とバランスコイル３１４とは、上述したように正相の直列回路を構成し、その両端はこの図１２に示すように可変抵抗３１６を含む抵抗ブリッジ回路３１７に接続されている。コイル３１２は交流信号源２０３に接続され、交番磁束を生成することで、近傍に配置される導電性膜２０１’に渦電流を形成する。可変抵抗３１６の抵抗値を調整することで、コイル３１３，３１４からなる直列回路の出力電圧が、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３１３，３１４のそれぞれに並列に入る可変抵抗３１６（VR_１，VR_２）でＬ_１，Ｌ_３の信号を同位相にするように調整する。即ち、図１２（ｂ）の等価回路において、
VR_1-1×(VR_2-2+jωL₃)=VR_1-2×(VR_2-1+jωL₁) (1)
となるように、可変抵抗VR₁(=VR_1-1+VR_1-2)およびVR₂(=VR_2-1+VR_2-2)を調整する。これにより、図１２（ｃ）に示すように、調整前のＬ_１,Ｌ_３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、導電性膜が検出コイル３１３の近傍に存在する時には、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３１３とバランスコイル３１４とに鎖交するが、検出コイル３１３のほうが導電性膜に近い位置に配置されているので、両コイル３１３，３１４に生じる誘起電圧のバランスが崩れ、これにより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発振コイル３１２から、検出コイル３１３とバランスコイル３１４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、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、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。

そして、図１３は、交流信号源側２０３からセンサコイル２０２側を見たインピーダンスＺの計測回路例を示している。この図１３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。従って、これらの信号出力を用いることで、例えば振幅の大きさにより膜厚を計測するなど、より多面的な研磨の進行状況の検出が可能となる。

上述したように、検出対象の導電性膜２０１’が成膜された半導体ウェハＷ近傍に配置されたセンサコイル２０２に、交流信号を供給する信号源２０３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２０３で形成される交流電圧は、バンドパスフィルタ３０２を介してセンサコイル２０２に供給される。センサコイル２０２の端子で検出された信号は、高周波アンプ３０３および位相シフト回路３０４を経て、ｃｏｓ同期検波回路３０５およびｓｉｎ同期検波回路３０６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２０３で形成される発振信号は、位相シフト回路３０４により信号源２０３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３０５とｓｉｎ同期検波回路３０６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３０７，３０８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３０９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（Ｒ^２＋Ｘ^２）^１／２が得られる。また、ベクトル演算回路３１０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、膜厚測定装置本体には、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膜厚等を高精度に測定することができる。

図１４は、交流信号源側から見たインピーダンスＺの変化を示し、横軸は抵抗成分（Ｒ）であり、縦軸はリアクタンス成分（Ｘ）である。点Ａは膜厚が例えば１００μｍ以上と極めて大きい場合である。この場合には、交流信号源２０３の端子ａ，ｂからセンサコイル２０２側を見たインピーダンスＺは、センサコイルに近接して配置された導電性膜２０１の渦電流が極めて大きく、センサコイル２０２と等価的に並列に接続された抵抗成分（Ｒ_２）とリアクタンス成分ｊω（Ｍ＋Ｌ_２）が極めて小さくなる。従って、抵抗成分（Ｒ）およびリアクタンス成分（Ｘ）が共に小さくなる。

研磨が進行して導電性膜が薄くなると、センサコイル入力端（端子ａ，ｂ）から見たインピーダンスＺは、等価的な抵抗成分（Ｒ_２）が増大し、リアクタンス成分ｊω（Ｍ＋Ｌ_２）も増大する。センサコイル入力端から見たインピーダンスＺの抵抗成分（Ｒ）が最大となる点をＢで示す。この時、センサコイル入力端から見た渦電流損が最大となる。さらに研磨が進行し、導電性膜がより薄くなると、渦電流が減少し、センサコイルから見た抵抗成分は、渦電流損が徐々に減少することから、抵抗成分（Ｒ）は徐々に小さくなる。そして、導電性膜が全て研磨により除去されると、そこには渦電流損が存在せず、等価的に並列接続された抵抗成分（Ｒ_２）は無限大となり、センサコイル自体の抵抗分（Ｒ_１）のみが残ることになる。この時のリアクタンス成分（Ｘ）は、センサコイル自体のリアクタンス成分（Ｌ_１）のみである。この状態を、点Ｃで示す。

実際に、例えばシリコン酸化膜中に設けられた溝に銅配線を、いわゆるダマシンプロセスで形成する場合には、シリコン酸化膜上に窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等のバリア層が設けられ、その上に導電率の高い銅またはタングステン等の金属配線が設けられる。従って、これらの導電性膜の研磨にあたっては、バリア層の研磨の終点検出が重要となる。ところが、バリア層は上述したように窒化タンタル（ＴａＮ）または窒化チタン（ＴｉＮ）等の導電率が比較的低く、かつ膜厚がオングストロームオーダの極めて薄い膜が採用されている。

しかるに、本実施形態の渦電流センサにおいては、このようなバリア層の研磨終点近傍の膜厚検出および研磨中の膜厚値（相対的な膜厚データではなく、絶対的な長さとしての膜厚値）測定が容易に可能となる。即ち、図１４に示す、点Ｄは例えば膜厚が１０００Å程度の位置を示し、これより膜厚がゼロとなる、点Ｃに向けて、膜厚の変化に対応して抵抗成分の変化が極めて大きく、かつ略直線的に変化する。この時に、リアクタンス成分（Ｘ）は、図示するように抵抗成分と比較して、極めて変化量が小さい。このため、リアクタンス分の変化に伴って生じる発振周波数の変化に基づいて膜厚を検出するという原理に基づく渦電流センサでは、この膜厚変化に対して発振周波数の変化は極めて小さい。このため、周波数変化の分解能を上げるためには、周波数を高くする必要があった。しかしながら、この渦電流センサ（膜厚測定装置）２００によれば、発振周波数は固定したままで、抵抗成分の変化を見ることにより膜厚の変化を検出することができ、比較的低い周波数でこの極めて薄い膜厚の研磨状態を明瞭に観察することが可能となる。ここで、本実施形態では、リアクタンス分の変化に伴って生じる抵抗成分の変化に基づいて膜厚を検出する方式を採用するが、測定対象によっては、発振周波数の変化に基づいて膜厚を検出する方式を採用してもよく、また、リアクタンス成分と抵抗成分との合成インピーダンスに基づいて膜厚を検出するようにしてもよいことはいうまでもない。

なお、図１５は、オングストロームオーダの微細な導電性層の膜厚の検出結果を示している。それぞれ横軸は残膜厚を示し、縦軸の実線は抵抗成分（Ｒ）を示し、また、縦軸の点線はリアクタンス成分（Ｘ）を示している。図１５（ａ）は、タングステン（Ｗ）膜に関するデータであり、１０００Å以下の微細な残膜厚で抵抗成分の変化を見ることにより明瞭に膜厚の変化を検出できることがわかる。図１５（ｂ）は、窒化チタン（ＴｉＮ）膜に関するデータであり、同様に１０００Å以下の領域で膜厚の変化を明瞭に検出できる。図１５（ｃ）は、チタン（Ｔｉ）膜に関するデータであり、図示するように、膜厚が５００〜０Åに変化する間に、その抵抗成分が大幅に変化することで、明瞭にその膜厚の変化を検出することができる。

この図１５に示す各例において、抵抗成分（Ｒ）の変化に対して、リアクタンス成分（Ｘ）の変化は極めて小さい。バリア層の膜厚検出例で、タンタル膜において、残膜厚が０Åと２５０Åでリアクタンス成分（Ｘ）の変化は、０．００５％であった。これに対して抵抗成分（Ｒ）の変化は、１．８％であった。よって、検出感度の向上はリアクタンス成分の変化を見る方式に対して、約３６０倍検出感度が向上することになる。

ただし、交流信号源の発振周波数は、導電率が比較的低いバリア層の検出では、発振周波数を例えば８〜１６ＭＨｚ程度に高くすることが望ましい。発振周波数を高くすることにより、バリア層の０〜２５０Åの膜厚の変化を明瞭に観察することができる。これに対して、例えば銅膜等の導電率が比較的高い金属においては、２ＭＨｚ程度の低い発振周波数でも明瞭に膜厚の変化の検出が可能である。また、タングステン膜の場合には、８ＭＨｚ程度の発振周波数が好適である。このように、研磨対象膜の種類に対応して、発振周波数やセンサ増幅度、センサ信号値のOFF-SET値を選択することが好ましい。

また、研磨テーブル１００に埋め込まれた渦電流センサにウェハが近接・対向した時にのみ、渦電流センサが図示しない電気・電子回路によって交番バースト電磁界、または正弦波に印加した平衡変調、振幅変調、パルス変調をかけた電磁界をウェハ測定箇所に照射する構成を有する渦電流センサーモジュールでも良い。また更に渦電流の膜厚データ計測タイミングは連続に電磁界を照射しつづける回路構成、あるいは渦電流センサにウェハが近接・対向した時にのみウェハに電磁界を照射する回路構成を取ることができる。電磁界を照射し続ける回路構成を採用したときには、渦電流センサにウェハが近接していない時、対向していない時には過去に取得したデータから予想した膜厚データを補完することで将来の膜厚時間変化、終点時間を予想したり、実際の研磨時間との比較を行うことで、研磨異常検知、装置の異常検出などに使用することもできる。場合によっては渦電流センサにウェハが近接・対向した時以外は非研磨時、研磨布のドレッシング時にセンサの膜厚検出機能を無効にしたり、渦電流信号をサンプリングしないという場合もある。

図１６（ａ）は、これらの渦電流センサを備えた基板研磨装置の要部構成を示す縦断面図であり、図１７はその平面図である。図１６（ａ）に示されるように、基板研磨装置の研磨テーブル１００は矢印で示すようにその軸心まわりに回転可能になっている。この研磨テーブル１００内には、交流信号源および同期検波回路を含むプリアンプ一体型のセンサコイル２０２が埋め込まれている。センサコイル２０２の接続ケーブルは、研磨テーブル１００の研磨テーブル支持軸３２１ａ内を通り、研磨テーブル支持軸３２１ａの軸端に設けられたロータリジョイント３３４を経由して、ケーブルによりメインアンプ２００ａを介して膜厚測定装置本体（コントロール部）２００ｂに接続されている。

ここで、膜厚測定装置本体２００ｂ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膜厚等を高精度に測定することができる。

図１６（ｂ）は、渦電流センサ部分の拡大断面図である。研磨テーブル１００に埋め込まれたセンサコイル２０２の研磨パッド側の端面には４フッ化エチレン樹脂などのフッ素系樹脂のコーティング２０２ｍを有することで研磨パッドをはがす場合に、研磨パッドと渦電流センサが共にはがれてこないようにできる。また渦電流センサの研磨パッド側の端面は研磨パッド１０１近傍のＳｉＣなどの材料で構成された研磨テーブル１００の面（研磨パッド側の面）からは０〜０．０５ｍｍ凹んだ位置に設置され、研磨時にウェハに接触することを防止している。この研磨テーブル面と渦電流センサ面の位置の差はできる限り小さい方が良いが実際の装置では０．０２ｍｍ前後に設定することが多い。またこの位置調整にはシム（薄板）２０２ｎによる調整やネジによる調整手段が取られる。

ここで、センサコイル２０２と膜厚測定装置本体２００ｂを接続するロータリジョイントは、回転部においても信号を伝送することはできるが、伝送する信号線数に制限がある。このことから、接続する信号線は、８本に制限され、ＤＣ電圧源、出力信号線、および各種制御信号の伝送線のみに限られる。なお、このセンサコイル２０２は、発振周波数が、２から８ＭＨｚで切り替え可能となっていて、プリアンプのゲインも研磨対象の膜質に応じて切り替え可能となっている。

この研磨テーブル１００の回転は、図１７に示すように、その研磨テーブル１００の外周面に取り付けられたドグ３５１をドグセンサ３５０が検出するようになっており、膜厚測定装置本体２００ｂは、ドグセンサ３５０からの検出信号により、トップリング１の保持する半導体ウェハＷの信号処理を開始する。即ち、研磨テーブル１００の回転に伴って、センサ軌跡Ｒが半導体ウェハＷを横切るようにトレースする。

このことから、膜厚測定装置本体２００ｂは、図１８に示すように、研磨テーブル１００が１周する間に、まずドグセンサ３５０からの信号を受け取る。この時は、まだセンサコイル２０２上には半導体ウェハＷが来ていないので、ウェハ外の信号を受け取る。その後、半導体ウェハＷの下にセンサコイル２０２が位置すると、導電性膜２０１’などに生じる渦電流に応じたレベルのセンサ信号を受け取る。そして、半導体ウェハＷがセンサコイル２０２上を通過した後には、渦電流が発生していないレベルのウェハ外のセンサ信号を受け取ることになる。

このとき、膜厚測定装置本体２００ｂは、センサコイル２０２を常にセンシング可能に起動させた状態にあるが、そのまま測定対象の半導体ウェハＷの導電性膜２０１’の膜厚を測定するのではその膜厚が研磨に応じて変化して、受け取るセンサ信号のレベル自体が変化することにより、測定タイミングが不安定になってしまう。このことから、研磨砥液供給ノズル１０２から水を供給して基準ウェハのダミー研磨を行う水ポリッシング（例えば、１０００ｎｍのＣｕ層が成膜された基準ウェハを６０回転／分の研磨テーブル１００により１２０秒の水研磨）を行って、半導体ウェハＷの研磨領域の測定開始タイミングのレベルを予め取得して設定しておく。詳細には、ドグセンサ３５０によるウェハの検出信号を受け取ってからの半導体ウェハ有無によるセンサレベルの中間値を半導体ウェハＷの縁部の到達判定レベルとする。従って、ドグセンサの信号到達後の半導体ウェハＷの縁部の到達判定レベルを超えたタイミングで、例えば、１ミリ秒（ｍｓｅｃ）毎にセンサ信号を取得する。このセンサ信号の取得は、ウェハがセンサ上を離脱したタイミングで終了する。得られたセンサ信号は、物理的な寸法に対応させて、各領域に割り振られる。

この膜厚測定装置本体２００ｂが受け取るセンサ信号は、図１９（ａ）に示すように、半導体ウェハＷ内におけるセンサ軌跡Ｒを直線化すると、その半導体ウェハＷ下方の中心部（図４のＣ１）から周縁部（Ｃ４）までに対応させることができ、例えば、図１９（ｂ）に示すように、半導体ウェハＷを３分割した中心部（Ｃ１）、中間部（Ｃ２）、周縁部（Ｃ３，Ｃ４）毎の導電性膜２０１の膜厚を研磨前から研磨後に亘って計測することができる。各領域のセンサ信号は例えば平均等の演算処理が施され、各領域の計測値とされる。

なお、半導体ウェハＷは、最外周領域は導電性膜２０１’を形成しない部分であることから、当該領域のセンサ信号を破棄して処理する、所謂エッジカット処理を行う。また、本実施形態では、半導体ウェハＷを３つの領域に分割して５領域での計測値を取得しているが、押圧力を調整可能な領域に対応させて４つの領域Ｃ１〜Ｃ４に分割して７領域での計測値を取得・制御するようにしてもよい。さらに、半導体ウェハＷの研磨面をより細かく、あるいはより粗く区画してもよいことはいうまでもない。

図２０に示すように、取得したセンサ信号を各領域Ｃ１〜Ｃ４毎に割り振って、その領域幅に応じた個数の計測値を算出・取得する。例えば、半導体ウェハＷ下方へのセンサコイル２０２の進入から離脱までの間において、進入時の周縁部（Ｃ３，Ｃ４）の領域１では２個の計測値を取得し、次いで、中間部（Ｃ２）の領域２でも２個の計測値を取得し、次いで、中心部（Ｃ１）の領域３では１個の計測値を取得する。この後に、再度、中間部（Ｃ２）の領域４では２個の計測値を取得し、最終に周縁部（Ｃ３，Ｃ４）の領域５でも２個の計測値を取得する。

ここで、膜厚測定装置本体２００ｂは、各領域毎に取得した計測値に基づいて、半導体ウェハＷ下方のセンサコイル２０２の通過（研磨）毎に導電性膜２０１’の膜厚を測定すると共に、各領域毎の膜厚を表示装置（ディスプレイ）に表示するなどの処理を行うことから、図２０に示すように、対象領域外（ウェハ外や領域外）のセンサ信号に基づく計測値に代えて、補完データを生成して表示処理などをするようになっている。この補完データ（値）は、表示データが大きく振れないように、導電性膜２０１’が存在すると仮想して表示処理などをすることから、例えば、予め設定されている個数の直近の有効な計測値を用いて、次の演算式から算出する。
補完値＝[計測最大値−計測最小値]×係数（変換率％）＋計測最小値

ここでは研磨テーブルの回転毎に渦電流センサと被研磨物であるウェハが対向している期間のみ膜厚データを計測する回分式で計測するものである。また測定対象の膜厚変化に応じた渦電流センサからの信号は前述したドグセンサ３５０からの信号主導の外部同期型のＡ／Ｄ変換器により１０μ秒乃至数１００μ秒（例えば１００μ秒）毎に連続計測された複数個のデータを同期加算（例えばここではドグセンサ３５０から得られた連続した１００μ秒毎のデータを１０個分を加算して平均し、このデータを１ｍ秒のデータとすることを意味する）し、この加算し平均化することでデータのノイズを減少することもできる。

図２１は、図１６に示す研磨テーブル１００の他の実施形態である。図示するように、センサコイル２０２ａ〜２０２ｆは、トップリング１に保持された研磨中の半導体ウェハＷの中心Ｃｗが通過する位置に、この場合は６ヶ所に設置されている。符号Ｃ_Ｔは研磨テーブル１００の回転中心である。センサコイル２０２ａ〜２０２ｆは、半導体ウェハＷ下方の中心部（図４のＣ１）、中心部から中間部（Ｃ２）、外方部（Ｃ３）、そして周縁部（Ｃ４）を通過している間、その通過軌跡上で連続的に（１周するのを待つことなく）半導体ウェハＷのＣｕ層およびバリア層等の導電性膜の膜厚を検出できるようになっている。すなわち、渦電流センサ（膜厚測定装置）２００は、半導体ウェハＷの押圧力を調整可能に区画されている領域Ｃ１〜Ｃ４の膜厚を、センサコイル（測定手段）２０２によりそれぞれ測定可能に構成されている。ここで、センサコイルの周波数を高低の複数種類用いるようにしてもよい。これにより、高い方でバリア層の膜厚変化を主として検出し、低い方でＣｕ層の膜厚変化を主として検出する等の管理を行うことができる。

この場合は、センサコイルを６ヶ所に配置しているが、配置数は適宜変更することができる。また、研磨テーブルに研磨パッドを配置した例について説明するが、固定砥粒プレートを用いるようにしてもよい。また、この場合には固定砥粒プレート内にセンサコイルを配置するようにしてもよい。

上記構成の基板研磨装置において、トップリング１の下面に半導体ウェハＷを保持させ、半導体ウェハＷを回転している研磨テーブル１００の上面の研磨パッド１０１に昇降シリンダにより押圧する。一方、研磨砥液供給ノズル１０２から研磨砥液Ｑを流すことより、研磨パッド１０１に研磨砥液Ｑが保持されており、半導体ウェハＷの被研磨面（下面）と研磨パッド１０１の間に研磨砥液Ｑが存在した状態でポリッシングが行われる。

この研磨中に、センサコイル２０２ａ〜２０２ｆは、研磨テーブル１００が一回転する毎にそれぞれ半導体ウェハＷの被研磨面の直下を通過する。この場合、センサコイル２０２ａ〜２０２ｆは半導体ウェハＷの中心Ｃｗを通る軌道上に設置されているため、センサの移動に伴って半導体ウェハＷの被研磨面の円弧状の軌道上で連続的に膜厚検出が可能である。そして、この場合には、センサコイルが６ヶ所に設けられているので、断続的にではあるが短い間隔で研磨の進行状況をいずれかのセンサコイルで検出できる。

そして、図２２（ａ）（ｂ）に示すように、研磨が進行するにつれて、センサコイル２０２ａ〜２０２ｆの信号を膜厚測定装置本体２００ｂで処理する検出値は漸次減少してゆく。即ち、導電性膜の膜厚が減少するにつれて、センサコイル２０２ａ〜２０２ｆの信号を膜厚測定装置本体２００ｂで処理した値である検出値が減少してゆく。したがって、予め、導電性膜が配線部を除いて除去されたときの検出値の値を調べておけば、検出出力の値をモニターすることにより、ＣＭＰプロセスの終点を検出できる。

図２３は、膜厚と抵抗成分出力との関係を較正した例を示す。例えば、１０００Å（ｔ_１）または２００Å（ｔ_２）等の基準ウェハを準備し、この基準ウェハにおける検出出力を測定し、これらの点を基準点とする。そして、実際の研磨の進行状況に伴う検出出力に対する膜厚変化のデータを取得し、これを点線で示す。この検出出力は、抵抗成分出力の他に、リアクタンス成分出力、インピーダンス（振幅）出力、位相出力が可能である。このデータを上記基準点に対して最小二乗法等の手法によりカーブを形成する。このような手法により、渦電流センサの特性を較正・格納しておくことで、検出出力を適宜増幅処理・オフセット処理などして、渦電流センサの個体差に影響されることなく、その検出出力の変化から直接膜厚の変化を正確に読みとることが可能となる。

このような渦電流センサを多数備えた基板研磨装置によれば、終点検出を半導体ウェハの全面について行うことができ、且つ短時間間隔で行うことができる。そして、上述したようにバリア層であるＴａ，ＴａＮ，ＴｉＮ層等の研磨終点を検出できるので、極めて高精度の研磨終点の検出を行える。このとき、このように構成された渦電流センサでは、研磨プロセスの最終段階で導電性膜のパッチ残り（研磨除去されなかった金属）が発生しても、半導体ウェハ側の研磨面とセンサコイルの上端との間が３．５ｍｍ以下であれば、直径（φ）５ｍｍ以上のパッチ残りを検出することができ、後述の研磨プロセスにおいてそのパッチ残りを確実に研磨・除去することができる。さらに、研磨対象の半導体ウェハＷの導電性材料による配線が多層化されているような場合でも、このように構成された渦電流センサでは、その配線密度が９０％以下であれば確実に表層の導電性膜を検出して研磨・除去することができる。

この膜厚測定装置本体２００ｂにあっては、所定の膜厚で研磨モードを切り替える必要がある場合には、オングストロームオーダの膜厚を測定可能なレンジに当初よりプリアンプまたはメインアンプを選択設定して、正確な膜厚の確認処理を行うことができる。例えば、３００Å程度で研磨モードを切り替えることを目的とする場合には、３００Å程度以上のＷ層の研磨中には測定対象の膜厚の測定結果は実測不能なオーバレンジ（飽和）とし、その研磨が進んで３００Å程度以下で直線的な特性が得られるようにする。

即ち、図２４（ａ）に示すように、アンプのゲインを３００Å相当の信号以上で飽和するように設定する。例えばＷ層の層膜を研磨する場合に、図２４（ｂ）に示すようにＷ層の研磨が点線で示すように進行しても、アンプ出力は図中実線で示すように飽和のために一定となる。しかしながら、膜厚が３００Å程度を切ると、アンプが直線的に動作するため、アンプ出力は図中実線で示すように低下する。従って、図２４（ｃ）に示すように、この１次微分を取ることで、膜厚が３００Å程度に到達したことを明確に検出することができる。

この測定結果を得て、研磨装置の動作モード（レシピ）を、バリア層用に切り替えることで、高精度な研磨処理を実行可能にする。また、センサの動作モード（レシピ）も発振周波数の切り替えや、増幅度の切り替えにより、微小な膜厚のバリア層の有無を確実に検知して、研磨の終了タイミングを適切に判断することができるようになる。

そこで、この基板研磨装置のコントローラ４００（図２参照）は、マイクロ波センサ、渦電流センサ等の膜厚測定装置２００，２００’による半導体ウェハＷの中心部（図４のＣ１）、中間部（Ｃ２）、周縁部（Ｃ３，Ｃ４）の膜厚の測定結果に基づいて、レギュレータＲＥ３〜ＲＥ６がトップリング１の各圧力室２２〜２５に供給する加圧流体の圧力をそれぞれ独立に調整し、研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの領域Ｃ１〜Ｃ４毎に最適化するようになっている。

ここで、膜厚測定装置２００，２００’は、研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの領域Ｃ１〜Ｃ４毎に最適化するために、導電性膜２０１の膜厚の測定結果をコントローラ４００に受け渡す一方、コントローラ４００は、その膜厚の測定結果に基づいて膜厚測定装置２００，２００’への指示命令を生成する。すなわち、膜厚測定装置２００，２００’は、自身の膜厚測定結果に基づくコントローラ４００からの指示命令に従って、例えば、測定対象の膜種や多層膜などの種別に適合したパラメータ等を選択切換する動作モードの切換制御を実行することにより、そのパラメータを用いたセンサ信号の演算処理などを行って膜厚測定を行う。

ここで、本実施形態においては、半導体ウェハの研磨対象膜を研磨により除去する場合を説明したが、所謂、エッチング、無電解研磨、超純水電解研磨においても、同様に研磨対象膜の膜厚測定を行ってプロセス制御することができる。また、研磨対象膜を除去する場合だけでなく、成膜工程においても、同様に研磨対象膜の膜厚測定を行って、そのプロセス制御を行ってもよいことはいうまでもない。

また例えば、渦電流センサ（２ＭＨｚ、８ＭＨz、２０ＭＨz、１６０ＭＨｚの発振周波数から適宜選択する）や周波数が３０ＧＨzから３００ＧＨｚ帯の電磁波を研磨プロセス中で発生するパッド上のスラリ廃液、排液されるスラリー反応液に電磁印加することにより発生する反磁場、反射波の振幅、反射波のインピーダンス変化を検出し、研磨前の基準インピーダンスと比較したり、インピーダンスの時間微分の変化を観察することでウェハ研磨終点、異常判定のための研磨モニターの信号として使用することもできる。またこの廃液や反応液の渦電流センサや電磁波による観察はめっき装置、超純水電解研磨装置、無電解めっき装置、無電解研磨装置の成膜工程、膜除去工程の電解液・超純水のモニターにおいても採用することができる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことはいうまでもなく、例えば、基板研磨装置の基板保持装置や渦電流センサは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明に係る基板研磨方法を実行する基板研磨装置の一実施形態を示す図であり、その基板研磨装置の各部の配置構成を示す平面図である。 その研磨テーブル周辺の概略構成を示す一部断面説明図である。 その基板研磨装置の基板保持装置を示す縦断面図である。 その基板研磨装置の基板保持装置を示す底面図である。 その基板研磨装置の膜厚測定装置の概略構成を示すブロック図である。 その基板研磨装置による研磨プロセスを説明するフローチャートである。 その基板研磨装置による研磨プロセスを説明するフローチャートである。 その基板研磨装置による研磨プロセスの修正を説明するフローチャートである。 その基板研磨装置の膜厚測定装置による膜厚測定の検出パターンを示す一覧表である。 その基板研磨装置の膜厚測定装置の構成を示すブロック図である。 その基板研磨装置の膜厚測定装置のセンサコイルを示す斜視図である。 その基板研磨装置の膜厚測定装置のセンサコイルの接続例を示す概念図である。 その基板研磨装置の膜厚測定装置の同期検波回路を示すブロック図である。 その基板研磨装置の膜厚測定装置による膜厚測定の抵抗成分（Ｒ）・リアクタンス成分（Ｘ）の推移軌跡を示すグラフである。 その基板研磨装置の膜厚測定装置による膜厚測定の抵抗成分（Ｒ）およびリアクタンス成分（Ｘ）の変化例を示すグラフである。 その基板研磨装置の要部構成を示す縦断面図である。 その基板研磨装置の動作を説明する平面図である。 その基板研磨装置の膜厚測定装置のセンサ信号を説明するグラフである。 その基板研磨装置による基板の研磨を説明する概念図である。 その基板研磨装置の膜厚測定装置のセンサ信号を説明するグラフである。 その基板研磨装置の動作を説明する平面図である。 その基板研磨装置の膜厚測定装置のセンサ信号を説明するグラフである。 その基板研磨装置の膜厚測定装置の検出出力を説明するグラフである。 その基板研磨装置の膜厚測定装置のセンサ信号を説明するグラフである。

符号の説明

１ トップリング
３ リテーナリング
５ ホルダーリング
６ チャッキングプレート
８ センターバッグ
９ リングチューブ
１０ 自在継手部
１１ トップリング駆動軸
２１〜２５ 圧力室
３１〜３８ 流体路
３９ リリーフポート
４１ 開口部
６１，６２ 吸着部
８１，９１ 弾性膜
８２ センターバッグホルダー
９２ リングチューブホルダー
１００ 研磨テーブル
１０１ 研磨パッド
１０２ 研磨液供給ノズル
１２０ 圧縮空気源
１２１ 真空源
２００，２００’ 膜厚測定装置
２０１ 研磨対象膜
２０１’ 導電性膜
２０２，２０２ａ〜２０２ｆ センサコイル
２０３ 交流信号源
２０５ 同期検波回路
３０２ バンドパスフィルタ
３０７，３０８ ローパスフィルタ
３１２ 発振コイル
３１３ 検出コイル
３１４ バランスコイル
３１６ 可変抵抗
３１７ 抵抗ブリッジ回路
３５０ ドグセンサ
４００ コントローラ
１００１ カセット
１００３ 走行レール
１００４，１０２０ 搬送ロボット
１０２７ ロータリートランスポーター
１０５０ 載置台
Ｗ 半導体ウェハ

Claims (4)

1. 研磨面を有する研磨テーブルと、研磨対象の基板を保持して前記研磨テーブルの研磨面に押圧する基板保持装置と、前記基板上に形成されている膜の膜厚を測定する渦電流センサとを備えた基板研磨装置であって、
   前記基板保持装置は、前記研磨テーブルの研磨面に摺接させる前記基板を複数の領域に区画して、当該領域毎に該研磨面に押圧する押圧力を調整する調整手段を有し、
   前記渦電流センサのゲインは、前記基板上の膜が所定の膜厚である時に相当する信号以上で飽和するように設定されており、前記渦電流センサは、その測定値の一次微分値に基づいて前記膜が前記所定の膜厚になった時点を検知し、
   前記渦電流センサの検出部は前記基板を横切るように移動し、前記渦電流センサは、前記検出部の移動中に得られた時系列的な膜厚の測定値を、前記基板の各領域に割り振ることにより、前記各領域の膜厚の測定情報を取得し、
   前記基板保持装置は、前記基板の領域毎に加える押圧力を、前記渦電流センサによる当該基板上の測定情報に基づいて調整することを特徴とする基板研磨装置。
2. 前記所定の膜厚は３００Åであることを特徴とする請求項１に記載の基板研磨装置。
3. 基板の複数の領域毎に研磨テーブルの研磨面への押圧力を調整可能な基板保持装置で研磨対象の基板を保持して研磨テーブルの研磨面に押圧することにより当該基板上に形成されている膜を研磨する基板研磨方法であって、
   渦電流センサを用いて前記基板の膜厚を測定し、前記渦電流センサのゲインを、前記基板上の膜が所定の膜厚である時に相当する信号以上で飽和するように設定し、前記渦電流センサの測定値の一次微分値に基づいて、前記基板上の膜が前記所定の膜厚になった時点を検知し、
   前記渦電流センサの検出部を前記基板を横切るように移動させ、前記検出部の移動中に得られた時系列的な膜厚の測定値を、前記基板の各領域に割り振ることにより、前記各領域の膜厚の測定情報を取得し、
   前記基板保持装置の前記基板の領域毎に加える押圧力を、前記渦電流センサによる当該基板上の測定情報に基づいて調整することを特徴とする基板研磨方法。
4. 前記所定の膜厚は３００Åであることを特徴とする請求項３に記載の基板研磨方法。

Images