JP5705093B2 - 研磨終点検出方法および研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハなどの研磨対象物（基板）を研磨する研磨装置に使用される研磨終点検出方法に関し、特に渦電流センサを用いた研磨終点検出方法に関するものである。また、本発明は、上記研磨終点検出方法を実行可能な研磨装置に関するものである。

半導体デバイスの製造工程では、シリコンウェハ上に種々の材料が膜状に繰り返し形成され、多層配線構造を形成する。このような多層配線構造を形成するために、ＣＭＰ（化学機械研磨）が広く使用されている。例えば、配線用の溝が形成された基板の表面に金属膜を形成し、その後ＣＭＰにより溝内に形成された金属膜のみを残して不要な膜を除去することにより金属配線を形成する。

ＣＭＰは研磨装置によって実行される。この研磨装置は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、基板（膜を有するウェハ）を保持するトップリングと、研磨液を研磨パッド上に供給する研磨液供給機構とを備える。基板を研磨するときは、研磨液供給機構から研磨液を研磨パッド上に供給しながら、トップリングにより基板の表面を研磨パッドに押し付ける。トップリングと研磨テーブルをそれぞれ回転させて基板と研磨パッドとを相対移動させることにより、基板の表面を構成する膜を研磨する。

上述した金属配線の形成工程においては、不要な金属膜が除去されたか否か（すなわち、金属残膜があるか否か）を検出するために、渦電流センサが広く用いられている。しかしながら、多層配線構造を持つ基板では、研磨される金属膜の下層に存在する配線が渦電流センサの出力信号に影響を及ぼし、残膜の検出を妨げてしまう。

このような下層配線の影響を除去するために、従来では次のような方法が採用されている。
（１）基板の全面に亘って取得された渦電流センサの出力信号の平均値を膜厚とする。
（２）予め設定された基板面内の領域での最小出力信号を膜厚とする。
（３）所定の時間内（例えば、渦電流センサの出力信号の移動平均時間内）に渦電流センサが基板表面上に描く軌跡が基板の全周にわたってほぼ均等に分布するようにトップリングと研磨テーブルの回転速度比を調整する。

しかしながら、上述した従来の方法では、基板の表面内の領域ごとに膜厚情報を得ることは困難であった。

特開２００５−１２１６１６号公報 特開２０１１−２３５７９号公報

本発明は、上述した従来の問題を解決するためになされたものであり、研磨対象膜の下層の金属材料の影響を排除し、渦電流センサを用いて、基板表面内の各領域での膜厚情報を取得することができ、得られた膜厚情報から基板の研磨終点を決定する方法を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような研磨終点検出方法を実行可能な研磨装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板をトップリングにより研磨テーブル上の研磨パッドに押し当てながら、前記トップリングと前記研磨テーブルとをそれぞれ回転させることにより前記基板の膜を研磨する基板研磨工程の研磨終点を検出する方法であって、前記基板の研磨中に渦電流センサを前記基板の表面を横切るように移動させ、前記渦電流センサのインピーダンスの抵抗成分Ｘおよび誘導リアクタンス成分Ｙを取得し、前記抵抗成分Ｘおよび前記誘導リアクタンス成分Ｙからなる座標Ｘ，ＹをＸ−Ｙ座標系上にプロットし、前記Ｘ−Ｙ座標系上には複数のインピーダンスエリアが予め定義されており、前記複数のインピーダンスエリアは、基準インピーダンスエリアと少なくとも１つのオフセットインピーダンスエリアを含んでおり、前記複数のインピーダンスエリアにそれぞれ属する複数の座標Ｘ，Ｙを用いて、前記複数のインピーダンスエリアごとに複数の膜厚指標値を算出し、前記複数の膜厚指標値を用いて前記複数のインピーダンスエリアごとに前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする。

本発明の第２の態様は、基板をトップリングにより研磨テーブル上の研磨パッドに押し当てながら、前記トップリングと前記研磨テーブルとをそれぞれ回転させることにより前記基板の膜を研磨する基板研磨工程の研磨終点を検出する方法であって、前記トップリングが１回転する時間を測定し、前記測定された時間から前記トップリングの回転速度を算出し、前記トップリングの回転速度と前記研磨テーブルの回転速度との比から、前記研磨テーブルに埋設された渦電流センサが同一の軌跡を描いて前記基板の表面を横切るための前記研磨テーブルの回転回数を算出し、前記渦電流センサを前記基板の表面を横切るように移動させ、前記渦電流センサが同一の軌跡で前記基板の表面を横切ったときの前記渦電流センサの出力信号を取得し、前記渦電流センサの出力信号から膜厚指標値を算出し、前記膜厚指標値の変化から前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする。

本発明の第３の態様は、基板をトップリングにより研磨テーブル上の研磨パッドに押し当てながら、前記トップリングと前記研磨テーブルとをそれぞれ回転させることにより前記基板の膜を研磨する基板研磨工程の研磨終点を検出する方法であって、前記研磨テーブルに埋設された渦電流センサを前記基板の表面を横切るように移動させ、前記渦電流センサの出力信号を取得し、前記渦電流センサの出力信号から膜厚プロファイルを作成し、前記膜厚プロファイルに現れる凸部の位置の変化から、前記凸部が残膜または膜の下層に存在する金属材料のいずれかに起因して現れるかを判断し、前記残膜に起因して現れる凸部の大きさに基づいて前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする。

本発明の第４の態様は、研磨パッドを支持する回転可能な研磨テーブルと、基板を回転させながら、前記回転する研磨テーブル上の研磨パッドに前記基板を押し当てるトップリングと、前記研磨テーブル内に設置され、前記基板の表面を横切るように移動する渦電流センサと、前記渦電流センサの出力信号から前記基板の膜厚を監視する研磨監視部とを備え、前記研磨監視部は、前記渦電流センサのインピーダンスの抵抗成分Ｘおよび誘導リアクタンス成分Ｙを取得し、前記抵抗成分Ｘおよび前記誘導リアクタンス成分Ｙからなる座標Ｘ，ＹをＸ−Ｙ座標系上にプロットし、前記Ｘ−Ｙ座標系上には複数のインピーダンスエリアが予め定義されており、前記複数のインピーダンスエリアは、基準インピーダンスエリアと少なくとも１つのオフセットインピーダンスエリアを含んでおり、前記複数のインピーダンスエリアにそれぞれ属する複数の座標Ｘ，Ｙを用いて、前記複数のインピーダンスエリアごとに複数の膜厚指標値を算出し、前記複数の膜厚指標値を用いて前記複数のインピーダンスエリアごとに前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする研磨装置である。

本発明の一参考例は、研磨パッドを支持する回転可能な研磨テーブルと、基板を回転させながら、前記回転する研磨テーブル上の研磨パッドに前記基板を押し当てるトップリングと、前記研磨テーブル内に設置され、前記基板の表面を横切るように移動する渦電流センサと、前記渦電流センサの出力信号から前記基板の膜厚を監視する研磨監視部とを備え、前記研磨監視部は、前記渦電流センサが同一の軌跡で前記基板の表面を横切ったときの前記渦電流センサの出力信号を取得し、前記渦電流センサの出力信号から膜厚指標値を算出し、前記膜厚指標値の変化から前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする研磨装置である。

上述した本発明の第１および４の態様によれば、渦電流センサの出力信号が取得されるたびに、その出力信号Ｘ，Ｙからなる座標は、その値に従って複数のインピーダンスエリアのいずれかに振り分けられる。言い換えれば、下層の金属材料の影響の度合いに基づいて、センサ出力信号は複数のインピーダンスエリアのいずれかに振り分けられる。このように、複数のインピーダンスエリアを予め設けることによって、センサ出力信号（Ｘ，Ｙ）のばらつきを分割する、すなわち小さくすることができる。したがって、各インピーダンスエリアにおいては、センサ出力信号から得られる膜厚指標値は、研磨時間と共に徐々に小さくなる。このような複数のインピーダンスエリアは、基板表面内の各領域について設定することができるので、基板表面内の各領域での膜厚情報を取得することができる。したがって、基板の表面内での複数の領域ごとに研磨終点を検出することが可能となる。

上述した本発明の第２および５の態様によれば、渦電流センサが同一の軌跡で基板の表面を走査するときの膜厚指標値が取得される。したがって、下層での金属材料の存在にかかわらず、基板の表面上の各測定点での膜厚指標値は研磨時間ともに減少する。すなわち、基板表面内の各領域での膜厚情報を取得することができる。したがって、基板の表面内での複数の領域ごとに研磨終点を検出することが可能となる。

上述した本発明の第３の態様によれば、残膜に起因する凸部に基づいて基板の研磨を監視することができる。したがって、下層の金属材料の影響を排除して、正確な研磨終点を検出することが可能となる。

研磨装置の全体構成を示す模式図である。 研磨テーブルと渦電流センサと基板との関係を示す平面図である。 渦電流センサの原理を説明するための等価回路を示す図である。 研磨時間とともに変化するＸ，Ｙを、ＸＹ座標系上にプロットすることで描かれるグラフを示す図である。 図４のグラフ図形を反時計回りに９０度回転させ、さらに平行移動させたグラフを示す図である。 渦電流センサを示す模式図である。 図６に示す渦電流センサにおけるセンサコイルの構成例を示す。 渦電流センサの詳細な構成を示す模式図である。 渦電流センサが基板を走査する軌跡を示した図である。 渦電流センサの出力信号から得られる膜厚指標値が下層の配線の影響を受けて変化する様子を示す図である。 図１１（ａ）は下層の配線構造の影響がない場合のインピーダンス曲線を示す図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示すインピーダンス曲線から得られる膜厚指標値を示す図である。 図１２（ａ）は下層の配線構造の影響がある場合のインピーダンス曲線を示す図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示すインピーダンス曲線から得られる膜厚指標値を示す図である。 図１２（ｂ）に示す幅の広いインピーダンス曲線を４つのインピーダンスエリアに分割した例を示す図である。 図１３に示す各インピーダンスエリアに属する座標Ｘ，Ｙから決定される膜厚指標値の変化を示す図である。 第１〜第３のオフセットインピーダンスエリアが、基準インピーダンスエリアの上に重なり合った状態を示す図である。 図１５に示す重なり合った４つのインピーダンスエリアそれぞれに属する座標Ｘ，Ｙから決定される膜厚指標値の変化を示す図である。 基板の表面内に定義された５つの領域を示す図である。 膜厚指標値として、渦電流センサの出力信号Ｘ，Ｙから角度θを算出する方法を説明するための図である。 下層の配線構造の存在に起因して角度θが変化する例を示す図である。 オフセットインピーダンスエリアについて算出された角度に係数を掛ける例を説明する図である。 トップリングの回転速度が７７min^−１、研磨テーブルの回転速度が７０min^−１であるとき、渦電流センサが描く基板上の軌跡を示す図である。 渦電流センサの同一軌跡上の膜厚プロファイルの変化を示す図である。 基板上に存在する残膜と、この基板の膜厚プロファイルを示す図である。 下層の配線構造と残膜の両方を有する基板の膜厚プロファイルを示す図である。 テーブル回転検出器およびトップリング回転検出器を示す模式図である。 トリガ信号を受けて時間計測器が研磨テーブルおよびトップリングの回転時間を計測する様子を示すタイムチャートである。 研磨終点を検出する工程を示すフローチャートである。 図２７のステップ２〜ステップ５の具体例を説明するための図である。 図１に示すトップリングの一例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、研磨装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１と、研磨対象物である基板Ｗを保持して研磨テーブル１上の研磨パッド２に押圧するトップリング１０とを備えている。研磨テーブル１は、テーブル軸１ａを介してその下方に配置されるテーブル回転モータ（図示せず）に連結されており、テーブル軸１ａを中心軸として回転可能になっている。

研磨テーブル１の上面には研磨パッド２が貼付されており、研磨パッド２の表面が基板Ｗを研磨する研磨面２ａを構成している。研磨テーブル１の上方には研磨液供給ノズル３が設置されており、この研磨液供給ノズル３によって研磨テーブル１上の研磨パッド２に研磨液（スラリ）が供給されるようになっている。研磨テーブル１の内部には、渦電流センサ５０が埋設されている。この渦電流センサ５０は研磨監視部５３に接続されており、渦電流センサ５０の出力信号は研磨監視部５３に送られるようになっている。

トップリング１０は、トップリングシャフト１１に接続されており、トップリングシャフト１１は、トップリングヘッド１２に対して上下動するようになっている。トップリングシャフト１１の上下動により、トップリングヘッド１２に対してトップリング１０の全体を上下動させ位置決めするようになっている。トップリングシャフト１１は、トップリング回転モータ（図示せず）の駆動により回転するようになっている。トップリングシャフト１１の回転により、トップリング１０がトップリングシャフト１１を中心に回転するようになっている。

トップリング１０は、その下面に基板（例えば、半導体ウエハ）Ｗを保持できるようになっている。トップリングヘッド１２はトップリングヘッドシャフト１３を中心として旋回可能に構成されており、下面に基板Ｗを保持したトップリング１０は、トップリングヘッド１２の旋回により基板の受取位置から研磨テーブル１の上方位置に移動可能になっている。トップリング１０は、下面に基板Ｗを保持して基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに押圧する。このとき、研磨テーブル１およびトップリング１０をそれぞれ回転させ、研磨液供給ノズル３から研磨パッド２上に研磨液を供給する。研磨液には砥粒としてセリア（ＣｅＯ_２）やシリカ（ＳｉＯ_２）を含んだ研磨液が用いられる。このように、研磨液を研磨パッド２上に供給しつつ、基板Ｗを研磨パッド２に押圧して基板Ｗと研磨パッド２とを相対移動させて基板上の金属膜等の導電膜を研磨する。金属膜の具体例としてはＣｕ膜、Ｗ膜、Ｔａ膜、Ｔｉ膜等が挙げられる。

図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２をドレッシングするドレッシング装置２０を備えている。ドレッシング装置２０は、ドレッサアーム２１と、ドレッサアーム２１の先端に回転自在に取り付けられたドレッサ２２と、ドレッサアーム２１の他端に連結される揺動軸２３と、揺動軸２３を中心にドレッサアーム２１を揺動させる駆動機構としてのモータ（図示せず）とを備えている。ドレッサ２２の下部はドレッシング部材２２ａにより構成され、ドレッシング部材２２ａは円形のドレッシング面を有しており、ドレッシング面には硬質な粒子が電着等により固定されている。この硬質な粒子としては、ダイヤモンド粒子やセラミック粒子などが挙げられる。

ドレッサアーム２１内には、図示しないモータが内蔵されており、このモータによってドレッサ２２が回転するようになっている。揺動軸２３は図示しない昇降機構に連結されており、この昇降機構によりドレッサアーム２１が下降することでドレッシング部材２２ａが研磨パッド２の研磨面２ａを押圧してドレッシングするようになっている。ドレッシング装置２０は、基板の研磨が行われていないときに研磨パッド２をドレッシングすることができ、また基板の研磨中にも研磨パッド２をドレッシングすることができるようになっている。

図２は、研磨テーブル１と渦電流センサ５０と基板Ｗとの関係を示す平面図である。図２に示すように、渦電流センサ５０は、トップリング１０に保持された研磨中の基板Ｗの中心Ｃｗを通過する位置に設置されている。符号ＣＴは研磨テーブル１の回転中心である。渦電流センサ５０は、基板Ｗの下方を通過している間、通過軌跡（走査線）上で連続的に基板Ｗの導電膜の厚さを検出できるようになっている。

渦電流センサ５０は、コイルに高周波の交流電流を流して導電膜に渦電流を誘起させ、この渦電流の磁界に起因するインピーダンスの変化から導電膜の厚さを検出する。図３は、渦電流センサの原理を説明するための回路を示す図である。交流電源Ｅから高周波の交流電流Ｉ_１をコイルＱに流すと、コイルＱに誘起された磁力線が導電膜中を通過する。これにより、センサ側回路と導電膜側回路との間に相互インダクタンスが発生し、導電膜には渦電流Ｉ_２が流れる。この渦電流Ｉ_２は磁力線を発生し、これがセンサ側回路のインピーダンスを変化させる。渦電流センサは、このセンサ側回路のインピーダンスの変化から導電膜の膜厚を検出する。

図３に示すセンサ側回路と導電膜側回路には、それぞれ次の式が成り立つ。
Ｒ_１Ｉ_１＋Ｌ_１ｄＩ_１／ｄｔ＋ＭｄＩ_２／ｄｔ＝Ｅ （１）
Ｒ_２Ｉ_２＋Ｌ_２ｄＩ_２／ｄｔ＋ＭｄＩ_１／ｄｔ＝０ （２）
ここで、Ｍは相互インダクタンスであり、Ｒ_１はコイル１を含むセンサ側回路の等価抵抗であり、Ｌ_１はコイル１を含むセンサ側回路の自己インダクタンスである。Ｒ_２は渦電流損に相当する等価抵抗であり、Ｌ_２は渦電流が流れる導電膜の自己インダクタンスである。

ここで、Ｉ_ｎ＝Ａ_ｎｅ^ｊωｔ（正弦波）とおくと、上記式（１），（２）は次のように表される。
（Ｒ_１＋ｊωＬ_１）Ｉ_１＋ｊωＭＩ_２＝Ｅ （３）
（Ｒ_２＋ｊωＬ_２）Ｉ_２＋ｊωＭＩ_１＝０ （４）
これら式（３），（４）から、次の式が導かれる。
Ｉ_１＝Ｅ（Ｒ_２＋ｊωＬ_２）／｛（Ｒ_１＋ｊωＬ_１）（Ｒ_２＋ｊωＬ_２）＋ω^２Ｍ^２｝
＝Ｅ／｛（Ｒ_１＋ｊωＬ_１）＋ω^２Ｍ^２／（Ｒ_２＋ｊωＬ_２）｝ （５）

したがって，センサ側回路のインピーダンスΦは、次の式で表される。
Φ＝Ｅ／Ｉ_１
＝｛Ｒ_１＋ω^２Ｍ^２Ｒ_２／（Ｒ_２ ^２＋ω^２Ｌ_２ ^２）｝
＋ｊω｛Ｌ_１−ω^２Ｌ_２Ｍ^２／（Ｒ_２ ^２＋ω^２Ｌ_２ ^２）｝ （６）
ここで、Φの実部（抵抗成分）、虚部（誘導リアクタンス成分）をそれぞれＸ，Ｙとおくと、上記式（６）は、次のようになる。
Φ＝Ｘ＋ｊωＹ （７）

図４は、研磨時間とともに変化するＸ，Ｙを、ＸＹ座標系上にプロットすることで描かれるグラフを示す図である。図４の座標系はＹ軸を縦軸とし、Ｘ軸を横軸とした座標系である。点Ｔ∞の座標は、膜厚が無限大であるとき、すなわち、Ｒ_２が０のときのＸ，Ｙの値であり、点Ｔ０の座標は、基板の導電率が無視できるものとすれば、膜厚が０であるとき、すなわち、Ｒ_２が無限大のときのＸ，Ｙの値である。Ｘ，Ｙの値から位置決めされる点Ｔｎは、膜厚が減少するに従って、円弧状の軌跡を描きながら点Ｔ０に向かって進む。図４に示す記号ｋは結合係数であり、次の関係式が成り立つ。
Ｍ＝ｋ（Ｌ_１Ｌ_２）^１／２ （８）

図５は、図４のグラフ図形を反時計回りに９０度回転させ、さらに平行移動させたグラフを示す図である。すなわち、座標Ｘ，Ｙで表される点を、ＸＹ座標系の原点Ｏを中心として反時計周りに回転させ、さらに、回転させた座標を移動させ、原点Ｏと座標Ｘ，Ｙとの距離が膜厚の減少とともに短くなるようなグラフを生成する。以下、座標Ｘ，Ｙが描く円弧を、インピーダンス曲線という。

次に、渦電流センサ５０についてより詳細に説明する。図６は、渦電流センサを示す模式図である。この渦電流センサ５０は、センサコイル１０２と、このセンサコイル１０２に接続される交流電源１０３と、センサコイル１０２を含む電気回路（図３のセンサ側回路）の抵抗成分Ｘ，誘導リアクタンス成分Ｙを検出する同期検波部１０５とを有している。膜厚検出対象の導電膜ｍｆは、例えば基板Ｗ上に形成された銅、タングステン、タンタル、チタニウムなどの導電材料からなる薄膜である。センサコイル１０２と導電膜ｍｆとの距離Ｇは、例えば０．５ｍｍ〜５ｍｍに設定される。

図７は、図６に示す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１０２は、ボビン１１１に巻回された３層のコイル１１２，１１３，１１４により構成されている。中央のコイル１１２は、交流電源１０３に接続される励磁コイルである。この励磁コイル１１２は、交流電源１０３より供給される交流電流により磁界を形成し、ウェハ上の導電膜に渦電流を発生させる。励磁コイル１１２の上側（導電膜側）には、検出コイル１１３が配置され、導電膜を流れる渦電流により発生する磁束を検出する。検出コイル１１３と反対側にはバランスコイル１１４が配置されている。

コイル１１３，１１４は、同じターン数（１〜５００）のコイルにより形成されることが好ましいが、コイル１１２のターン数は特に限定されない。検出コイル１１３とバランスコイル１１４とは互いに逆相に接続されている。導電膜が検出コイル１１３の近傍に存在すると、導電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１１３とバランスコイル１１４とに鎖交する。このとき、検出コイル１１３のほうが導電膜に近い位置に配置されているので、両コイル１１３，１１４に生じる誘起電圧のバランスが崩れ、これにより導電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。

図８は、渦電流センサの詳細な構成を示す模式図である。交流電源１０３は、水晶発振器からなる固定周波数の発振器を有しており、例えば、１〜５０ＭＨｚの固定周波数の交流電流をセンサコイル１０２に供給する。交流電源１０３で形成された交流電流は、バンドパスフィルタ１２０を介してセンサコイル１０２に供給される。センサコイル１０２の端子から出力された信号は、ブリッジ回路１２１および高周波アンプ１２３を経て、ｃｏｓ同期検波回路１２５およびｓｉｎ同期検波回路１２６からなる同期検波部１０５に送られる。ここで、交流電源１０３で形成される発振信号からは、位相シフト回路１２４により交流電源１０３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１２５とｓｉｎ同期検波回路１２６とに導入される。そして、同期検波部１０５によりインピーダンスの抵抗成分と誘導リアクタンス成分とが取り出される。

同期検波部１０５から出力された抵抗成分と誘導リアクタンス成分からは、ローパスフィルタ１２７，１２８により不要な高周波成分（例えば５ＫＨｚ以上の高周波成分）が除去され、インピーダンスの抵抗成分としての信号Ｘと誘導リアクタンス成分としての信号Ｙとがそれぞれ出力される。研磨監視部５３は、渦電流センサ５０の出力信号Ｘ，Ｙを、図５で説明した処理（回転処理、平行移動処理など）と同じ方法で処理し、膜厚指標値としての距離Ｚ（図５参照）を算出する。そして、この距離Ｚの変化に基づいて膜厚の変化を監視する。なお、渦電流センサ５０の出力信号Ｘ，Ｙに対する回転処理や平行処理などの所定の処理は、渦電流センサ５０にて電気的に行ってもよく、または研磨監視部５３にて計算により行ってもよい。

渦電流センサ５０が基板の表面を横切るたびに、渦電流センサ５０は複数の測定点で基板Ｗの膜厚を測定する。図９は、渦電流センサ５０が基板Ｗを走査する軌跡を示した図である。上述したように、研磨テーブル１が回転すると、渦電流センサ５０は基板Ｗの中心Ｃｗを通る軌跡を描いて基板Ｗの表面を走査する。トップリング１０の回転速度と研磨テーブル１の回転速度とは通常異なっているため、基板Ｗの表面における渦電流センサ５０の軌跡は、図９に示すように、研磨テーブル１の回転に伴って走査線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，…と変化する。この場合でも、上述したように、渦電流センサ５０は、基板Ｗの中心Ｃｗを通る位置に配置されているので、渦電流センサ５０が描く軌跡は、毎回基板Ｗの中心Ｃｗを通過する。本実施形態では、渦電流センサ５０による膜厚測定のタイミングを調整して、渦電流センサ５０によって基板Ｗの中心Ｃｗの膜厚を毎回必ず測定するようにしている。図９において、記号ＭＰｍ−ｎは、ｍ番目の走査線ＳＬｍ上のｎ番目の測定点を表している。

各測定点で得られた渦電流センサ５０の出力信号Ｘ，Ｙは、座標Ｘ，ＹとしてＸ−Ｙ座標系上に描かれる。渦電流センサ５０の出力信号Ｘ，Ｙは膜厚に従って変化する。具体的には、図５に示すように、Ｘ−Ｙ座標系の原点Ｏと座標Ｘ，Ｙから特定される点Ｔｎとの距離Ｚ（＝√（Ｘ^２＋Ｙ^２））は、膜厚が減少するに従って小さくなる。従って、出力信号Ｘ，Ｙから求められる距離Ｚは、測定された膜厚指標値ということができる。

このように、基板Ｗの膜厚は渦電流センサ５０の出力信号Ｘ，Ｙから求めることができるが、膜の下層に存在する金属材料の影響を受けて渦電流センサ５０の出力信号が大きく変動することがある。多層配線構造を有する基板は、各階層に配線（金属材料）を有する。このため、下層の配線が渦電流センサ５０の出力信号に影響を及ぼし、正確な膜厚の測定を妨げてしまう。

図１０は、渦電流センサ５０の出力信号から得られる膜厚指標値Ｚが下層の配線の影響を受けて変化する様子を示す図である。研磨すべき膜の下には、複数の配線構造（例えば、集積回路）２００が形成されている。これらの配線構造２００は、研磨すべき膜に覆われているため、図１０では点線で示している。膜厚指標値Ｚは、研磨時間とともに全体的に徐々に減少する。しかしながら、渦電流センサ５０は、研磨対象物である膜と、その膜の下層の配線構造２００を感知し、その結果渦電流センサ５０の信号値は下層の配線構造２００の影響を受けてしまう。

図１０に示すように、研磨テーブル１がＮ回転目のときの渦電流センサ５０の軌跡は、研磨テーブル１がＮ＋１回転目のときの渦電流センサ５０の軌跡とは異なる。このため、渦電流センサ５０が感知する配線構造２００の配置は、研磨テーブル１の回転によって異なり、結果として、膜厚指標値Ｚから生成される膜厚プロファイル（基板の半径方向に沿った膜厚分布）も異なる。このように、渦電流センサ５０の出力信号Ｘ，Ｙは、下層の配線構造２００の影響を受けてしまい、Ｘ−Ｙ座標系上に描かれるインピーダンス曲線は大きく振れる。

図１１（ａ）は下層の配線構造の影響がない場合のインピーダンス曲線を示し、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示すインピーダンス曲線から得られる膜厚指標値Ｚを示す。下層の配線構造の影響がない場合、インピーダンス曲線はシステムノイズに起因してある程度は振れるものの、その幅（ｄｗで示す）は小さい。同様に、図１１（ｂ）に示すように、膜厚指標値Ｚが描く線の幅も小さい。図１１（ｂ）のグラフにおいて、縦軸は膜厚指標値を表し、横軸は研磨時間を表している。膜厚指標値Ｚは研磨時間とともに減少していくので、膜が除去された点、すなわち研磨終点を検出することは容易である。

これに対し、図１２（ａ）は下層の配線構造の影響がある場合のインピーダンス曲線を示し、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示すインピーダンス曲線から得られる膜厚指標値Ｚを示す。下層の配線構造の影響がある場合、インピーダンス曲線は大きく振れ、その結果、インピーダンス曲線の幅ｄｗ’が大きくなる。同様に、膜厚指標値Ｚが描く線も幅が大きくなってしまう。その結果、研磨終点を検出することが困難となる。

そこで、本実施形態では、図１２（ａ）に示す幅の広いインピーダンス曲線をその長手方向に沿って複数の領域（以下、インピーダンスエリアという）に分割し、その分割されたインピーダンスエリアごとに膜厚指標値を算出し、インピーダンスエリアごとに膜厚指標値に基づいて基板の研磨を監視する。図１３は、図１２（ａ）に示す幅の広いインピーダンス曲線を４つのインピーダンスエリアに分割した例を示す図である。以下の説明では、図１１（ａ）に示す幅の狭いインピーダンス曲線を基準インピーダンスエリアといい、図１２（ａ）に示す幅の広いインピーダンス曲線を初期インピーダンスエリアといい、図１３に示す分割されたインピーダンスエリアのうち、基準インピーダンスエリア以外のインピーダンスエリアをオフセットインピーダンスエリアという。

４つのインピーダンスエリア、すなわち、基準インピーダンスエリアＲ０、第１のオフセットインピーダンスエリアＲ１、第２のオフセットインピーダンスエリアＲ２、第３のオフセットインピーダンスエリアＲ３は、互いに同じ幅を有しており、その幅は、下層の配線構造の影響がない条件下で取得された基準インピーダンスエリアＲ０の幅ｄｗである。ただし、基準インピーダンスエリアＲ０の幅と、オフセットインピーダンスエリアＲ１〜Ｒ３の幅は多少異なっていてもよい。

基準インピーダンスエリアＲ０は、基板の中心部で取得された渦電流センサの出力信号（Ｘ，Ｙ）のみを使用することにより生成される。渦電流センサ５０は、研磨テーブル１が１回転するたびに、必ず基板の中心部を通る。したがって、基板の中心部で取得された膜厚指標値Ｚは、下層の金属材料（配線構造など）の存在にかかわらず、研磨時間と共に減少する。言い換えれば、基板の中心部では、下層の金属材料は膜厚指標値Ｚの時間的変化に影響を与えない。したがって、基板の中心部で得られたセンサ出力信号（Ｘ，Ｙ）から、図１１（ａ）に示すような、幅の狭いインピーダンスエリアを生成することができる。この基板の中心部で得られたインピーダンスエリアが基準インピーダンスエリアとして定義される。

基準インピーダンスエリアの幅ｄｗは、その円弧の中心からの最小距離と最大距離との差異である。より具体的には、基準インピーダンスエリアが描く円弧の中心を最小二乗法などの公知の手法により求め、その中心からの最小距離と最大距離との差異を求めることにより、基準インピーダンスエリアの幅ｄｗが求められる。同様に、図１２（ａ）に示す幅の広い初期インピーダンスエリアの幅ｄｗ’も、計算により取得される。そして、初期インピーダンスエリアは、基準インピーダンスエリアの幅ｄｗに基づいて分割される。分割されるインピーダンスエリアの数は、初期インピーダンスエリアの幅ｄｗ’によって決定される。すなわち、初期インピーダンスエリアの幅ｄｗ’を基準インピーダンスエリアの幅ｄｗで割ることにより、分割されるインピーダンスエリアの数が決定される。図１３に示す例では、基準インピーダンスエリアを含む４つのインピーダンスエリアＲ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が作成される。初期インピーダンスエリアの幅によっては、インピーダンスエリアＲ１，Ｒ２，Ｒ３のうちのいずれかは、多少異なる幅を有してもよい。

基準インピーダンスエリアＲ０およびオフセットインピーダンスエリアＲ１，Ｒ２，Ｒ３は、研磨対象となる基板と同一構造を有する基板を研磨することにより予め取得される。通常は、１ロットに属する同一構造を有する複数の基板のうちの１枚を研磨することにより、インピーダンスエリアＲ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が予め作成される。

上述のようにして作成された複数のインピーダンスエリアはＸ−Ｙ座標系上に定義される。そして、渦電流センサの出力信号Ｘ，Ｙが取得されるたびに、その出力信号Ｘ，Ｙからなる座標は、その値に従って４のインピーダンスエリアＲ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のいずれかに振り分けられる。言い換えれば、下層の配線構造の影響の度合いに基づいて、センサ出力信号Ｘ，ＹはインピーダンスエリアＲ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のいずれかに振り分けられる。

図１４は、各インピーダンスエリアに属する座標Ｘ，Ｙから決定される膜厚指標値Ｚ（原点Ｏから座標Ｘ，Ｙまでの距離）の変化を示す図である。膜厚指標値Ｚは、研磨時間の経過とともに４つの線を描く。これら４つの線は、座標Ｘ，Ｙの位置が属する４つのインピーダンスエリアＲ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３（図１３参照）に対応する。基板の研磨は、４つのインピーダンスエリアに対応した４つの膜厚指標値それぞれに基づいて監視され、各膜厚指標値の変化に基づいて研磨終点が決定される。

さらに、図１５に示すように、オフセットインピーダンスエリアＲ１，Ｒ２，Ｒ３を、基準インピーダンスエリアＲ０に重なるように平行移動してもよい。各オフセットインピーダンスエリアが平行移動する距離は、４つのインピーダンスエリアの円弧中心間の距離、すなわち基準インピーダンスエリアＲ０の幅ｄｗから決定される。具体的には、第１のオフセットインピーダンスエリアＲ１は幅ｄｗ×１の距離だけ平行移動され、第２のオフセットインピーダンスエリアＲ２は幅ｄｗ×２の距離だけ平行移動され、第３のオフセットインピーダンスエリアＲ３は幅ｄｗ×３の距離だけ平行移動される。このような操作により、図１５に示すように、第１〜第３のオフセットインピーダンスエリアＲ１，Ｒ２，Ｒ３は、基準インピーダンスエリアＲ０の上に重なり合う。

図１６は、図１５に示す重なり合った４つのインピーダンスエリアそれぞれに属する座標Ｘ，Ｙから決定される膜厚指標値Ｚ（原点Ｏから座標Ｘ，Ｙまでの距離）の変化を示す図である。図１６から分かるように、４つの膜厚指標値は、研磨時間と共に互いに同じように変化し、各研磨時間での４つの膜厚指標値も、図１４に示す膜厚指標値に比べて、互いに近くなる。

基板の研磨終点は、それぞれのインピーダンスエリアごとに決定される。すなわち、４つのインピーダンスエリアに対応する４つの膜厚指標値が研磨中に別々に監視され、各膜厚指標値が所定のしきい値に達した時点が研磨終点と決定される。しきい値は、４つの膜厚指標値についてそれぞれ設定される。４つの膜厚指標値のうちの少なくとも１つの膜厚指標値が所定のしきい値に達した時点を、最終的な研磨終点とすることができる。例えば、基準インピーダンスエリアに対応する膜厚指標値が所定のしきい値に達した時点、あるいはすべてのインピーダンスエリアに対応する膜厚指標値がしきい値に達した時点を、研磨終点とすることができる。また、少なくとも２つの膜厚指標値が所定のしきい値に達した時点を研磨終点とすることもできる。

第１〜第３のオフセットインピーダンスエリアＲ１，Ｒ２，Ｒ３は、渦電流センサの出力信号が下層の配線構造の影響を受ける領域である。しかしながら、同一のオフセットインピーダンスエリア内では渦電流センサの出力信号は同程度で下層の配線構造の影響を受けるため、膜厚指標値の変化は、下層の配線構造の影響にかかわらず、基板の研磨の進捗を反映している。したがって、分割された複数のインピーダンスエリアごとに基板の研磨を監視することにより、研磨終点の検出精度を向上させることができる。

上述した複数のインピーダンスエリアは、基板表面内の複数の領域（ゾーン）のそれぞれについて作成することができる。したがって、基板の領域ごとに研磨終点を上述の方法に従って決定することができる。これらの領域は、基板の表面内に任意に設定することができる。例えば、図１７に示す例では、基板の表面内に５つの領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５が設定されている。この場合は、５つの領域Ｃ１〜Ｃ５それぞれについて４つの膜厚指標値が取得されるので、基板の研磨中に２０（５×４）個の膜厚指標値が監視される。

基準インピーダンスエリアを含む複数のインピーダンスエリアを予め設けることによって、センサ出力信号（Ｘ，Ｙ）のばらつきを分割する、すなわち小さくすることができる。したがって、各インピーダンスエリアにおいては、センサ出力信号から得られる膜厚指標値は、概ね研磨時間と共に小さくなる。このような複数のインピーダンスエリアは、基板表面内の各領域について設定することができるので、基板表面内の各領域での膜厚情報を取得することができる。したがって、基板の表面内での複数の領域ごとに研磨終点を検出することが可能となる。

上述した実施形態では、渦電流センサの出力信号Ｘ，Ｙから膜厚指標値Ｚ（√（Ｘ^２＋Ｙ^２））を算出したが、以下に示す他の実施形態のように、膜厚指標値として角度を渦電流センサの出力信号Ｘ，Ｙから算出してもよい。図１８は、膜厚指標値として、渦電流センサの出力信号Ｘ，Ｙから角度を算出する方法を説明するための図である。図１８に示すように、予め設定された基準点（固定点）Ｆを通る基準線ＦＬと、渦電流センサの出力信号（Ｘ成分、Ｙ成分）から定まる点Ｔｎと基準点Ｆとを結ぶ線との角度θは、点Ｔｎの移動とともに、すなわち膜厚が減少するとともに、変化する。したがって、角度θは、膜厚を示す指標として使用することができる。

一般に、研磨される基板の枚数が増加するにつれて、研磨パッド２は徐々に磨耗する。図１に示すように、渦電流センサ５０は、研磨テーブル１に埋設されているので、研磨パッド２の摩耗とともに、基板Ｗと渦電流センサ５０との距離が変化する。上述した角度θは、基板Ｗと渦電流センサ５０との距離には依存せず、膜厚に依存して変化することが知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、図１９に示すように、下層の配線構造の存在に起因して角度θが変化し、膜厚を正確に反映しないことがある。そこで、図２０に示すように、基準インピーダンスエリアＲ０について算出された角度と、オフセットインピーダンスエリアＲ１，Ｒ２，Ｒ３について算出された角度とが等しくなるように、オフセットインピーダンスエリアＲ１，Ｒ２，Ｒ３について算出された角度に係数を掛ける。係数は、それぞれのオフセットインピーダンスエリアＲ１，Ｒ２，Ｒ３について予め設定される。これら係数は、基板の構造に依存して変わりうるので、研磨される基板と同一構造を有する基板の研磨結果から決定される。このように補正された角度に基づいて、インピーダンスエリアＲ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ごとに研磨終点を検出することができる。

次に、本発明のさらに他の実施形態について説明する。
図１０に示すように、研磨テーブル１がＮ回転目のときの渦電流センサ５０の軌跡は、研磨テーブル１がＮ＋１回転目のときの渦電流センサ５０の軌跡とは異なる。渦電流センサ５０が感知する配線構造２００の位置は、研磨テーブル１の回転回数によって異なり、結果として、渦電流センサ５０によって取得される膜厚プロファイルは、渦電流センサ５０の軌跡に依存して変わる。

トップリング１０の回転速度と研磨テーブル１の回転速度は、通常異なっている。このような条件では、渦電流センサ５０が基板表面に描く軌跡は、基板の中心周りに回転する。渦電流センサ５０の軌跡は、研磨テーブル１がある回数だけ回転する間に、基板の表面上を一周する。センサ軌跡が基板の表面上を一周するために必要な研磨テーブル１の回転回数は、トップリング１０と研磨テーブル１との回転速度比によって決定される。

図２１は、トップリング１０の回転速度が７７min^−１、研磨テーブル１の回転速度が７０min^−１であるとき、渦電流センサ５０が描く基板Ｗ上の軌跡を示す図である。図２１に示すように、この条件下では、研磨テーブル１が１回転するごとに渦電流センサ５０の軌跡が３６度回転する。したがって、研磨テーブル１が１０回転するたびに、渦電流センサ５０の軌跡は基板Ｗの表面上を一周する。この場合、研磨テーブル１が１回目の回転をしているときのセンサ軌跡と、研磨テーブル１が１１回目の回転をしているときのセンサ軌跡とは同一である。

図２２は、渦電流センサ５０の同一軌跡上の膜厚プロファイルの変化を示す図である。膜厚プロファイルとは、基板の半径方向に沿った膜厚分布である。渦電流センサ５０が同一の軌跡で基板の膜厚を測定すると、配線構造２００に起因して膜厚プロファイルの同一箇所において凸部が現れる。渦電流センサ５０は基板の同一箇所を走査するので、凸部は同じ位置に現れる。したがって、下層の配線構造２００の存在によらず、膜厚プロファイルは、全体として、研磨時間とともに徐々に小さくなっていく。つまり、基板上の各膜厚測定点において、膜厚指標値は研磨時間とともに低下する。したがって、膜厚プロファイル（膜厚指標値）の変化に基づいて、研磨終点を決定することができる。

基板に形成された金属膜を除去することが研磨の目的である場合、金属膜が基板から除去された時点で、膜厚プロファイルは変化しなくなる。これは、渦電流センサ５０がそれ以上金属膜に反応しなくなるからである。したがって、膜厚プロファイルが変化しなくなった時点（具体的には、膜厚指標値が低下しなくなった時点）を研磨終点として決定することができる。例えば、基板上の同一位置における現在の膜厚指標値と前回の膜厚指標値との差異が所定の値にまで低下した時点を研磨終点とすることができる。

膜厚プロファイルの変化（すなわち、膜厚指標値の変化）は、図１７に示すように基板の表面に予め定義された複数の領域ごとに監視することができる。基板上の各領域では、下層の配線構造の存在にかかわらず、膜厚指標値は研磨時間とともに小さくなる。したがって、渦電流センサ５０から得られる膜厚指標値を、基板の各領域での研磨終点検出に用いることができる。

トップリング１０の回転速度と研磨テーブル１の回転速度が異なる場合、基板の表面を走査する渦電流センサ５０の軌跡は複数存在する。図２１に示す例では、研磨テーブル１が１０回転するたびにセンサ軌跡が基板の中心周りに１周するので、１０本の軌跡が存在する。これら１０本の軌跡のそれぞれについて、図２２に示す膜厚プロファイルを作成してもよい。この場合でも、図１７に示す例のように、基板の表面を５つの領域に分けることができる。したがって、したがって、この場合では、５０（１０×５）個の研磨終点を検出することができる。

上述した例は、膜の下層に存在する配線構造が渦電流センサ５０の出力信号に影響を与える場合であるが、研磨すべき膜が基板上に局所的に残る場合にも、膜厚プロファイルには凸部が現れる。この例について、図２３を参照して説明する。図２３は、基板上に局所的に存在する残膜と、この基板の膜厚プロファイルを示す図である。通常、残膜は、図２３に示すように、環状の膜である。このような残膜が基板上に存在すると、その残膜に渦電流センサ５０が反応して膜厚指標値が大きくなり、結果として、図２２に示す例と同様に、膜厚プロファイルには凸部が現れる。

図２３に示す膜厚プロファイルは、渦電流センサ５０の軌跡によらず、常に一定の位置で凸部が現れる点で、図２２に示す膜厚プロファイルとは異なっている。これは、残膜が、基板の周方向に延びた環状の膜であるためである。この残膜の存在を示す膜厚プロファイルの凸部は、研磨テーブル１が回転するたびに同じ箇所に現れ、研磨時間とともに徐々に小さくなり、残膜が除去されると消滅する。

図２４は、下層の配線構造と残膜の両方を有する基板の膜厚プロファイルを示す図である。下層の配線構造に起因する膜厚プロファイルの凸部は、渦電流センサ５０の走査軌跡が一致しない限り、異なる位置に現れるのに対して、残膜に起因する膜厚プロファイルの凸部は、研磨テーブル１が回転するたびに同じ位置に現れる。したがって、研磨監視部５３は、膜厚プロファイルに現れる凸部の位置から、その凸部が残膜または下層の配線構造のいずれかに起因するものかを判断することができる。さらに、残膜に起因する凸部の大きさの変化から研磨終点を決定することができる。例えば、凸部の大きさが０になった時点、または所定のしきい値にまで小さくなった時点を研磨終点とすることができる。

下層の配線構造に起因する凸部と、残膜に起因する凸部とは、次のようにして区別することができる。膜厚プロファイルが取得されるたびに、その膜厚プロファイルに現れる凸部の数と基板の半径方向における凸部の位置とが取得される。図２４から分かるように、残膜に起因する凸部は、センサ軌跡にかかわらず、研磨テーブル１が１回転するたびに毎回ほぼ同じ位置（類似する位置）で連続的に現れる。これに対して、下層の配線構造に起因する凸部は、一定の周期でほぼ同じ位置（類似する位置）に現れる。したがって、連続してほぼ同じ位置に現れる凸部は、残膜に起因する凸部であると判断され、一方、一定の周期でほぼ同じ位置に現れる凸部は、下層の配線構造に起因する凸部であると判断される。

研磨テーブル１とトップリング１０が同じ回転速度で回転している場合、渦電流センサ５０は常に同一軌跡で基板を横切るため、上述の方法では凸部の区別ができない。そこで、このような場合には、各凸部のピーク値が研磨時間とともに減少するか否かに基づいて凸部を区別することができる。すなわち、研磨時間がある時点に達すると凸部のピーク値が減少しなくなる場合は、その凸部は下層の配線構造に起因した凸部と判断できる。一方、研磨時間とともに凸部のピーク値が（徐々にでも）減少する場合には、その凸部は残膜に起因した凸部であると判断できる。

上述したように、渦電流センサ５０の走査軌跡の数は、トップリング１０の回転速度と研磨テーブル１の回転速度との比によって決定される。言い換えれば、トップリング１０の回転速度と研磨テーブル１の回転速度を設定することにより、研磨テーブル１が所望の回数だけ回転するごとに、渦電流センサ５０を同じ軌跡で基板を走査させることができる。しかしながら、トップリング１０および研磨テーブル１は、必ずしも設定回転速度で回転するとは限らない。つまり、設定回転速度と実際の回転速度との間には誤差がある。この誤差は小さいものであるが、その誤差に起因して、渦電流センサ５０は予定された軌跡で基板を走査しない。結果として、図２２に示すような、凸部が同じ位置に現れる膜厚プロファイルを得ることができない。

そこで、本実施形態では、トップリング１０および研磨テーブル１がそれぞれ１回転する実時間を測定し、その実測時間からトップリング１０の回転速度と研磨テーブル１の回転速度を算出する。図２５は、研磨テーブル１が１回転する時間を測定するテーブル回転検出器２１０と、トップリング１０が１回転する時間を測定するトップリング回転検出器２２０を示す模式図である。テーブル回転検出器２１０は、研磨テーブル１の外周面に固定されたセンサターゲット２１１と、このセンサターゲット２１１を感知するセンサ２１２と、センサ２１２に接続された時間計測器２１３とを備えている。

センサターゲット２１１は、研磨テーブル１とともに回転する一方、センサ２１２の位置は固定されている。センサ２１２は、センサターゲット２１１に近接して配置されており、研磨テーブル１が１回転するたびにセンサターゲット２１１を感知するようになっている。センサ２１２がセンサターゲット２１１を感知すると、トリガ信号がセンサ２１２から時間計測器２１３に送られる。時間計測器２１３は、トリガ信号を受信してから次のトリガ信号を受信するまでの時間を計測する。この計測された時間は、研磨テーブル１が１回転する時間である。

トップリング回転検出器２２０は、トップリング１０に固定されたセンサターゲット２２１と、このセンサターゲット２２１を感知するセンサ２２２と、センサ２２２に接続された時間計測器２２３とを備えている。センサ２２２は、トップリングヘッド１２（図１参照）に固定されている。トップリング回転検出器２２０の動作は、上述したテーブル回転検出器２１０の動作と同じであるので、その説明を省略する。

図２６は、トリガ信号を受けて各時間計測器が１回転当たりの実時間を計測する様子を示すタイムチャートである。トリガ信号を受けると、時間計測器２１３，２２３は時間の計測を開始し、次のトリガ信号を受けると、時間計測器２１３，２２３は時間の計測を停止すると同時に、再び時間の計測を開始する。トリガ信号は、研磨テーブル１が１回転するたびに時間計測器２１３に入力されるので、トリガ信号と次のトリガ信号との間の時間間隔が研磨テーブル１の実際の回転時間である。同様に、トリガ信号は、トップリング１０が１回転するたびに時間計測器２２３に入力されるので、トリガ信号と次のトリガ信号との間の時間間隔がトップリング１０の実際の回転時間である。

研磨テーブル１の回転速度（ｍｉｎ^−１）およびトップリング１０の回転速度（ｍｉｎ^−１）は、それぞれの実測回転時間から算出することができる。このように、研磨テーブル１の実際の回転速度およびトップリング１０の実際の回転速度を取得することにより、トップリング１０と研磨テーブル１との回転速度比を正確に調整することができる。したがって、渦電流センサ５０は、研磨テーブル１が所定の回数だけ回転するたびに、正確に同一の軌跡を描いて基板の表面を走査することができる。なお、トップリング回転検出器２２０またはテーブル回転検出器２１０のいずれかを省略してもよい。この場合、トップリング１０または研磨テーブル１の実際の回転速度を測定することができないので、代わりに設定回転速度が使用される。

次に、研磨終点を検出するプロセスについて、図２７を参照して説明する。図２７は、研磨終点を検出する工程を示すフローチャートである。基板の研磨が開始されると、渦電流センサ５０は、研磨テーブル１が回転するたびに基板の表面を走査し、インピーダンスの抵抗成分としての信号Ｘと誘導リアクタンス成分としての信号Ｙを出力する。研磨監視部５３は、出力信号Ｘ，Ｙからなる膜厚データを渦電流センサ５０から受け取る（ステップ１）。

研磨監視部５３は、時間計測器２１３，２２３から研磨テーブル１の回転時間およびトップリング１０の回転時間の測定値を受け取り（ステップ２）、上述したようにトップリング１０の実際の回転速度および研磨テーブル１の実際の回転速度を算出する。さらに、研磨監視部５３は、トップリング１０と研磨テーブル１との回転速度比から、渦電流センサ５０が同じ軌跡を描くために必要な研磨テーブル１の回転回数を算出する（ステップ３）。

研磨監視部５３は、基板表面に予め定義された複数の領域（図１７参照）に従って膜厚データを複数の膜厚データ群に分割し（ステップ４）、さらに領域ごとの膜厚データ群を渦電流センサ５０の軌跡に従って複数の膜厚データに振り分け（ステップ５）、それぞれの膜厚データから各センサ軌跡に関する膜厚プロファイルを作成する。

上記ステップ２〜ステップ５の具体例について、図２８を参照して説明する。図２８に示す例では、トップリング１０が１回転する実時間は２０００ミリ秒であり、研磨テーブル１が１回転する実時間は１０００ミリ秒である。この場合、トップリング１０の回転速度は３０ｍｉｎ^−１、研磨テーブル１の回転速度は６０ｍｉｎ^−１と求められ、研磨テーブル１が１回転するたびに渦電流センサ５０は２回基板の表面を横切る。したがって、この場合の渦電流センサ５０の軌跡は２本である。基板の表面には各軌跡に沿って５つの領域が予め定義されている。

研磨テーブル１が２Ｎ−１回転目のときに得られる膜厚データは、Ｄ１_２Ｎ−１，Ｄ２_２Ｎ−１，Ｄ３_２Ｎ−１，Ｄ４_２Ｎ−１，Ｄ５_２Ｎ−１であり、研磨テーブル１が２Ｎ回転目のときに得られる膜厚データは、Ｄ１_２Ｎ，Ｄ２_２Ｎ，Ｄ３_２Ｎ，Ｄ４_２Ｎ，Ｄ５_２Ｎである。Ｎは自然数である。これらの膜厚データは、基板上の５つの領域にそれぞれ属する５つのデータ群、すなわち第１のデータ群Ｄ１_２Ｎ−１，Ｄ１_２Ｎ，第２のデータ群Ｄ２_２Ｎ−１，Ｄ２_２Ｎ，第３のデータ群Ｄ３_２Ｎ−１，Ｄ３_２Ｎ，第４のデータ群Ｄ４_２Ｎ−１，Ｄ４_２Ｎ，第５のデータ群Ｄ５_２Ｎ−１，Ｄ５_２Ｎに分けられる。

さらに、上記各データ群は、同一センサ軌跡ごとに振り分けられる。すなわち、第１のデータ群は、膜厚データＤ１_２Ｎ−１と膜厚データＤ１_２Ｎとに分けられ、第２のデータ群は膜厚データＤ２_２Ｎ−１と膜厚データＤ２_２Ｎとに分けられ、第３のデータ群は膜厚データＤ３_２Ｎ−１と膜厚データＤ３_２Ｎとに分けられ、第４のデータ群は膜厚データＤ４_２Ｎ−１と膜厚データＤ４_２Ｎとに分けられ、第５のデータ群は膜厚データＤ５_２Ｎ−１と膜厚データＤ５_２Ｎとに分けられる。そして、それぞれの膜厚データから膜厚プロファイルが生成される。

図２７に戻り、研磨監視部５３は、各膜厚プロファイルから得られる現在の膜厚と前回の膜厚と比較し、膜厚プロファイルの変化を取得する（ステップ６）。具体的には、研磨監視部５３は、現在の膜厚と前回の膜厚との差異が設定値を下回ったか否か、または膜厚の減少率が設定値を下回ったか否かを判断する。研磨終点検出の精度を上げるために、これら設定値は、システムノイズの大きさに基づいて決定することが好ましい。現在の膜厚と前回の膜厚との差異が設定値を下回ったとき、または膜厚の減少率が設定値を下回ったときに、研磨監視部５３は、基板の研磨工程が終点に達したと判断する（ステップ７）。

研磨終点検出の精度をさらに高めるために、ステップ７の研磨終点が複数のセンサ軌跡について検出されたときに、基板の研磨工程が終点に達したと判断することが好ましい。あるいは、研磨テーブル１が複数回回転する間にステップ７の研磨終点検出が複数回行われた場合に、基板の研磨工程が終点に達したと判断することが好ましい。

上述した実施形態は、基板の複数の領域を独立して研磨パッドに押し付けることができるトップリングに適用することができる。図２９は、図１に示すトップリングの一例を示す断面図である。トップリング１０は、トップリングシャフト１１に自由継手２５０を介して連結されるトップリング本体２５１と、トップリング本体２５１の下部に配置されたリテーナリング２５２とを備えている。

トップリング本体２５１の下方には、基板Ｗに当接する柔軟なメンブレン２５６と、メンブレン２５６を保持するチャッキングプレート２５７とが配置されている。メンブレン２５６とチャッキングプレート２５７との間には、４つの圧力室（エアバッグ）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が設けられている。圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４はメンブレン２５６とチャッキングプレート２５７とによって形成されている。中央の圧力室Ｐ１は円形であり、他の圧力室Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は環状である。これらの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、同心上に配列されている。

圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４にはそれぞれ流体路２６１，２６２，２６３，２６４を介して圧力調整部２７０により加圧空気等の加圧流体が供給され、あるいは真空引きがされるようになっている。圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力は互いに独立して変化させることが可能であり、これにより、基板Ｗの４つの領域、すなわち、中央部、内側中間部、外側中間部、および周縁部に対する押圧力を独立に調整することができる。また、トップリング１０の全体を昇降させることにより、リテーナリング２５２を所定の押圧力で研磨パッド２に押圧できるようになっている。

チャッキングプレート２５７とトップリング本体２５１との間には圧力室Ｐ５が形成され、この圧力室Ｐ５には流体路２６５を介して上記圧力調整部２７０により加圧流体が供給され、あるいは真空引きがされるようになっている。これにより、チャッキングプレート２５７およびメンブレン２５６全体が上下方向に動くことができる。基板Ｗの周端部はリテーナリング２５２に囲まれており、研磨中に基板Ｗがトップリング１０から飛び出さないようになっている。圧力室Ｐ３を構成する、メンブレン２５６の部位には開口が形成されており、圧力室Ｐ３に真空を形成することにより基板Ｗがトップリング１０に吸着保持されるようになっている。また、この圧力室Ｐ３に窒素ガスやクリーンエアなどを供給することにより、基板Ｗがトップリング１０からリリースされるようになっている。

研磨監視部５３は、各圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に対応する基板表面の領域での膜厚指標値に基づいて、各圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力の目標値を決定する。研磨監視部５３は上記圧力調整部２７０に指令信号を送り、圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力が上記目標値に一致するように圧力調整部２７０を制御する。このように、複数の圧力室を持つトップリング１０は、研磨の進捗に従って基板の表面上の各領域を独立に研磨パッド２に押圧できるので、膜を均一に研磨することができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 研磨テーブル
１ａ テーブル軸
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨液供給ノズル
１０ トップリング
１１ トップリングシャフト
１２ トップリングヘッド
２０ ドレッシング装置
２１ ドレッサアーム
２２ ドレッサ
２２ａ ドレッシング部材
２３ 揺動軸
５０ 渦電流センサ
５３ 研磨監視部
１０２ センサコイル
１０３ 交流電源
１０５ 同期検波部
１１１ ボビン
１１２ 励磁コイル
１１３ 検出コイル
１１４ バランスコイル
１２０ バンドパスフィルタ
１２１ ブリッジ回路
１２３ 高周波アンプ
１２４ 位相シフト回路
１２５ ｃｏｓ同期検波回路
１２６ ｓｉｎ同期検波回路
１２７，１２８ ローパスフィルタ
２００ 配線構造
２１０ テーブル回転検出器
２１１ センサターゲット
２１２ センサ
２１３ 時間計測器
２２０ トップリング回転検出器
２２１ センサターゲット
２２２ センサ
２２３ 時間計測器
２５１ トップリング本体
２５２ リテーナリング
２５６ メンブレン
２５７ チャッキングプレート
２７０ 圧力調整部
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 圧力室

Claims (13)

1. 基板をトップリングにより研磨テーブル上の研磨パッドに押し当てながら、前記トップリングと前記研磨テーブルとをそれぞれ回転させることにより前記基板の膜を研磨する基板研磨工程の研磨終点を検出する方法であって、
   前記基板の研磨中に渦電流センサを前記基板の表面を横切るように移動させ、
   前記渦電流センサのインピーダンスの抵抗成分Ｘおよび誘導リアクタンス成分Ｙを取得し、
   前記抵抗成分Ｘおよび前記誘導リアクタンス成分Ｙからなる座標Ｘ，ＹをＸ−Ｙ座標系上にプロットし、
   前記Ｘ−Ｙ座標系上には複数のインピーダンスエリアが予め定義されており、前記複数のインピーダンスエリアは、基準インピーダンスエリアと少なくとも１つのオフセットインピーダンスエリアを含んでおり、
   前記複数のインピーダンスエリアにそれぞれ属する複数の座標Ｘ，Ｙを用いて、前記複数のインピーダンスエリアごとに複数の膜厚指標値を算出し、
   前記複数の膜厚指標値を用いて前記複数のインピーダンスエリアごとに前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする方法。
2. 前記複数のインピーダンスエリアは、
   前記基板と同一構造の基板を研磨し、
   前記同一構造の基板の研磨中に前記抵抗成分Ｘおよび前記誘導リアクタンス成分Ｙを取得し、
   取得された前記抵抗成分Ｘおよび前記誘導リアクタンス成分Ｙからなる座標Ｘ，Ｙを前記Ｘ−Ｙ座標系上にプロットして初期インピーダンスエリアを該Ｘ−Ｙ座標系上に形成し、
   前記初期インピーダンスエリアをその長手方向に沿って分割することで得られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記基準インピーダンスエリアは、
   前記基板と同一構造の基板を研磨し、
   前記同一構造の基板の中心部での前記抵抗成分Ｘおよび前記誘導リアクタンス成分Ｙを取得し、
   取得された前記抵抗成分Ｘおよび前記誘導リアクタンス成分Ｙからなる座標Ｘ，Ｙを前記Ｘ−Ｙ座標系上にプロットすることによって該Ｘ−Ｙ座標系上に描かれる領域であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記オフセットインピーダンスエリアは、前記基準インピーダンスエリアと同じ幅を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記膜厚指標値は、前記座標Ｘ，Ｙにより特定される点と前記Ｘ−Ｙ座標系の原点との距離であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記オフセットインピーダンスエリアが前記基準インピーダンスエリアに重なるまで前記オフセットインピーダンスエリアを平行移動させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記膜厚指標値は、前記座標Ｘ，Ｙにより特定される点と所定の基準点とを結ぶ直線と、前記基準点を通る所定の基準線とがなす角度であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記基準インピーダンスエリアについて得られた前記角度と、前記オフセットインピーダンスエリアについて得られた前記角度とが等しくなるような係数を、前記オフセットインピーダンスエリアについて得られた前記角度に掛けることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 基板をトップリングにより研磨テーブル上の研磨パッドに押し当てながら、前記トップリングと前記研磨テーブルとをそれぞれ回転させることにより前記基板の膜を研磨する基板研磨工程の研磨終点を検出する方法であって、
   前記トップリングが１回転する時間を測定し、前記測定された時間から前記トップリングの回転速度を算出し、
   前記トップリングの回転速度と前記研磨テーブルの回転速度との比から、前記研磨テーブルに埋設された渦電流センサが同一の軌跡を描いて前記基板の表面を横切るための前記研磨テーブルの回転回数を算出し、
   前記渦電流センサを前記基板の表面を横切るように移動させ、
   前記渦電流センサが同一の軌跡で前記基板の表面を横切ったときの前記渦電流センサの出力信号を取得し、
   前記渦電流センサの出力信号から膜厚指標値を算出し、
   前記膜厚指標値の変化から前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする方法。
10. 前記研磨テーブルが１回転する時間を測定し、前記測定された時間から前記研磨テーブルの回転速度を算出することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記渦電流センサの出力信号を、前記基板の表面上に予め定義された複数の領域に従って振り分け、
    前記振り分けられた出力信号から、前記基板の各領域についての膜厚指標値を算出することを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
12. 基板をトップリングにより研磨テーブル上の研磨パッドに押し当てながら、前記トップリングと前記研磨テーブルとをそれぞれ回転させることにより前記基板の膜を研磨する基板研磨工程の研磨終点を検出する方法であって、
    前記研磨テーブルに埋設された渦電流センサを前記基板の表面を横切るように移動させ、
    前記渦電流センサの出力信号を取得し、
    前記渦電流センサの出力信号から膜厚プロファイルを作成し、
    前記膜厚プロファイルに現れる凸部の位置の変化から、前記凸部が残膜または膜の下層に存在する金属材料のいずれかに起因して現れるかを判断し、
    前記残膜に起因して現れる凸部の大きさに基づいて前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする方法。
13. 研磨パッドを支持する回転可能な研磨テーブルと、
    基板を回転させながら、前記回転する研磨テーブル上の研磨パッドに前記基板を押し当てるトップリングと、
    前記研磨テーブル内に設置され、前記基板の表面を横切るように移動する渦電流センサと、
    前記渦電流センサの出力信号から前記基板の膜厚を監視する研磨監視部とを備え、
    前記研磨監視部は、
    前記渦電流センサのインピーダンスの抵抗成分Ｘおよび誘導リアクタンス成分Ｙを取得し、
    前記抵抗成分Ｘおよび前記誘導リアクタンス成分Ｙからなる座標Ｘ，ＹをＸ−Ｙ座標系上にプロットし、前記Ｘ−Ｙ座標系上には複数のインピーダンスエリアが予め定義されており、前記複数のインピーダンスエリアは、基準インピーダンスエリアと少なくとも１つのオフセットインピーダンスエリアを含んでおり、
    前記複数のインピーダンスエリアにそれぞれ属する複数の座標Ｘ，Ｙを用いて、前記複数のインピーダンスエリアごとに複数の膜厚指標値を算出し、
    前記複数の膜厚指標値を用いて前記複数のインピーダンスエリアごとに前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする研磨装置。

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