基片抛光设备和基片抛光方法.pdf

本发明涉及用于抛光诸如半导体晶片的基片到平面光洁度的基片抛光设备和基片抛光方法。基片抛光设备包括：具有抛光表面(101)的抛光台(100)；用于保持和压靠基片(W)到抛光台(100)的抛光表面(101)的基片支架(1)；和用于测量基片(W)上的薄膜厚度的薄膜厚度测量装置(200)；基片支架(1)具有多个压力可调节室(22到25)，且在相应压力可调节室(22到25)的压力基于薄膜厚度测量装置(200)所测量的薄膜厚度而被调节。

1、  一种基片抛光设备，包括：
具有抛光表面的抛光台；
用于保持和压靠基片到所述抛光台的所述抛光表面的基片支架；和
用于测量基片上的薄膜厚度的薄膜厚度测量装置；
其中，所述基片支架具有多个压力可调节室，且在所述相应压力可调节室中的压力基于由所述薄膜厚度测量装置测量的薄膜厚度被调节。

2、  如权利要求1所述的基片抛光设备，其特征在于，所述薄膜厚度测量装置测量对应于所述相应压力可调节室的基片的多个区域的薄膜厚度，且在所述相应压力可调节室中的压力基于由所述薄膜厚度测量装置测量的相应区域的薄膜厚度被调节。

3、  如权利要求2所述的基片抛光设备，其特征在于，还包括：
用于储存分别用于基片相应区域的抛光条件的储存装置；
基于所述薄膜厚度测量装置测量的相应区域的薄膜厚度计算基片相应区域的抛光速率的计算装置；和
基于计算的抛光速率校正包括所述压力可调节室的压力的抛光条件的校正装置。

4、  如权利要求1所述的基片抛光设备，其特征在于，所述薄膜厚度测量装置在基片被抛光以后测量基片上的薄膜的厚度。

5、  如权利要求1所述的基片抛光设备，其特征在于，所述薄膜厚度测量装置在基片正被抛光时测量基片上的薄膜的薄膜厚度。

6、  如权利要求1所述的基片抛光设备，其特征在于；
基片被移动通过所述薄膜厚度测量装置的检测传感器，从而通过所述检测传感器获得时间序列数据；和
所述薄膜厚度测量装置将时间序列数据分配到基片的各个区域，从而获得相应区域的薄膜厚度。

7、  如权利要求1所述的基片抛光设备，其特征在于，所述薄膜厚度测量装置包括涡流传感器、光学传感器、温度传感器、转矩电流传感器或微波传感器。

8、  一种通过压靠基片到抛光台的抛光表面而抛光基片的方法，所述方法包括：
由具有多个压力可调节室的基片支架保持基片；
通过薄膜厚度测量装置测量对应于所述相应压力可调节室的基片的多个区域的薄膜厚度；和
基于各个区域测量的薄膜厚度来调节所述相应压力可调节室的压力。

9、  如权利要求8所述的方法，其特征在于：
所述薄膜厚度测量装置至少包括涡流传感器、光学传感器、温度传感器、转矩电流传感器和微波传感器中的至少一个；和
相应区域的薄膜厚度从来自适合基片上的薄膜类型的所述传感器中的至少一个的信号或信号组合得出。

10、  如权利要求8所述的方法，其特征在于，基于所述薄膜厚度测量装置测量的薄膜厚度，用于抛光基片的操作方式被转换成另一种。

11、  如权利要求8所述的方法，其特征在于，基于所述薄膜厚度测量装置测量的薄膜厚度，所述薄膜厚度测量装置的操作方式被转换成另一种。

12、  如权利要求8所述的方法，其特征在于，基于所述薄膜厚度测量装置测量的薄膜厚度，检测停止抛光基片的计时。

13、  如权利要求8所述的方法，其特征在于：
涡流传感器被用作用于测量基片的相应区域的薄膜厚度的所述薄膜厚度测量装置；
基片被移动通过所述薄膜厚度测量装置的检测传感器，从而通过所述检测传感器获得时间序列数据；和
时间序列数据被分配到基片的各个区域，从而获得相应区域的薄膜厚度。

14、  如权利要求8所述的方法，其特征在于，基片的相应区域的薄膜厚度被重复测量、且在所述压力可调节室中的压力被重复调节，使得相应区域的薄膜厚度收敛在预定范围内。

15、  一种测量基片上的薄膜的厚度的方法，该方法包括：
设置面对基片的传感器电路；
电磁地相互连接基片和所述传感器电路；
将所述传感器电路的阻抗变化转换为所述传感器电路的谐振频率；
测量谐振频率的变化；和
基于谐振频率的变化计算薄膜厚度的变化。

16、  一种基片抛光设备，包括：
用于抛光基片表面的抛光表面；
用于保持基片以使基片表面与所述抛光表面接触的基片支架；
靠近所述抛光表面设置的传感器电路；
用于将所述传感器电路的阻抗变化转换为所述传感器电路和基片的谐振频率的阻抗—频率转换电路；和
用于将谐振频率的变化转换为基片表面上薄膜厚度的频率—厚度转换电路。

17、  一种测量基片上的薄膜的厚度的方法，该方法包括：
设置面对基片的传感器电路；
电磁地相互连接基片和所述传感器电路；
测量所述传感器电路的阻抗变化；以及
基于阻抗变化检测薄膜厚度变化。

18、  一种基片抛光设备，包括：
用于抛光基片表面的抛光表面；
用于保持基片以使基片表面与所述抛光表面接触的基片支架；
靠近所述抛光表面设置的传感器电路；以及
用于将所述传感器电路的阻抗变化转换为基片表面上的薄膜厚度的阻抗—厚度转换电路。

基片抛光设备和基片抛光方法
技术领域
本发明涉及用于抛光诸如半导体晶片等的基片到平面光洁度的基片抛光设备和基片抛光方法。
背景技术
近些年，半导体装置尺寸变得更小且半导体元件的结构变得更复杂。另外，用于逻辑系统的多层互连的层数增加。因此，半导体装置表面上的凸凹不平增加，且因此半导体装置表面上的阶跃高度趋向于更大。这是因为，在半导体装置的制造过程中，薄膜被形成在半导体装置上，然后，诸如制作布线图案或形成孔等的微机械加工过程在半导体装置上执行，且这些过程被重复很多次从而在半导体装置上形成后续的薄膜。
当半导体装置表面上的凸凹不平数量增加时，形成在有台阶的部位的薄膜的厚度趋向于变小。另外，由于互连的断开引起开路，或由于互连层之间的绝缘不足引起短路。其结果是，不能获得优良的产品，且成品率趋向于被降低。此外，即使半导体装置最初工作正常，在长期使用之后半导体装置的可靠性变低。在光刻过程中曝光的时候，如果被光照的表面具有凸凹不平，那么曝光系统中的透镜装置不能聚焦到这些凸凹不平上。因此，如果半导体装置表面的凸凹不平增加，那么在半导体装置上形成良好的图案就变得困难。
因而，在半导体装置的制造过程中，使半导体装置表面变平变得越来越重要。平面化技术中最重要的一个是CMP(化学机械抛光)。化学机械抛光使用一种抛光设备来完成。具体是，当包含诸如二氧化硅(SiO2)等的研磨剂颗粒的抛光液体被供给到抛光表面上时，诸如半导体晶片等的基片与诸如抛光垫等的抛光表面滑动接触，半导体晶片因此被抛光。
这种类型的抛光设备包括：具有由抛光垫组成的抛光表面的抛光台；和用于保持半导体晶片的被称为顶圈或托架头的基片保持装置，半导体晶片通过抛光设备被如下抛光：半导体晶片被基片保持装置保持，然后以预定的压力被压靠在抛光台上。同时，抛光台和基片保持装置相对彼此移动，从而使得半导体晶片滑动接触抛光表面。从而半导体晶片的表面被抛光到平面镜面光洁度。
在这种抛光设备中，如果在被抛光的半导体晶片和抛光垫的抛光表面之间的相对压力沿半导体晶片的整个表面上不均匀，那么根据施加到半导体晶片某些部位的压力，半导体晶片在这些部位可能抛光不足或可能过度抛光。为了避免这种缺点，尝试使用由诸如橡胶等的弹性材料制成的弹性膜形成用于保持半导体晶片的基片保持装置的表面，并施加诸如空气压力等的流体压力到弹性膜的后部表面上以便使施加到半导体晶片上的压力沿半导体晶片的整个表面一样。
抛光垫是弹性的，使得施加到半导体晶片的周边部位的压力变得不均匀。从而，只有半导体晶片的周边部位可能被过度抛光，这被称为“边部倒角”。为了防止这种边部倒角，使用一个基片保持装置，其中半导体晶片通过一个导环或挡圈被固定在基片保持装置的周边部位，且与半导体晶片的周边部位对应的抛光表面的环形部位被导环或挡圈压靠。
通常，由于用于形成薄膜的方法和设备的特征，形成在半导体晶片的表面上的薄膜在不同的径向位置上具有不同的薄膜厚度。具体是，薄膜具有沿着半导体晶片径向方向的厚度分布。如日本已公布专利文件No.2003-106805和日本已公布专利文件No.2002-187060中所描述的，已知一种抛光设备，其基片保持装置具有用于调节施加到抛光台的抛光表面的压力的调节机构。在这种类型的抛光设备中，与抛光表面滑动接触的基片被分成几个区，使得施加到抛光表面相应区域的压力分别通过调节机构被调节。根据上述抛光设备，就可能在径向调节压力分布，并因此沿半导体晶片的整个表面获得薄膜厚度的均匀分布。
然而，半导体晶片表面上地薄膜厚度分布依据形成薄膜的方法和设备的类型而变化。具体是，径向位置和厚部位的数目以及厚部位和薄部位之间的厚度差异依据形成薄膜的方法和设备的类型而变化。因此，要求提供一种基片抛光设备和基片抛光方法，它们能处理各种具有不同薄膜厚度分布的基片并能以低成本很容易地抛光基片，而不是只能处理某一种具有一定薄膜厚度分布的基片。
发明内容
本发明是考虑到上面的缺点而提出的。本发明的一个目的是提供一种基片抛光设备和基片抛光方法，它们能根据形成在基片表面上的薄膜的厚度分布合适地抛光诸如半导体晶片等的基片，从而获得均匀的薄膜厚度。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种基片抛光设备，它包括：具有抛光表面的抛光台；用于保持和压靠基片到抛光台的抛光表面的基片支架；和用于测量基片上的薄膜厚度的薄膜厚度测量装置；其中，基片支架具有多个压力可调节室，且在相应压力可调节室的压力基于薄膜厚度测量装置测量的薄膜厚度被调节。
在本发明的一个优选方面中，薄膜厚度测量装置测量对应于相应压力可调节室的基片的多个区域的薄膜厚度，且在相应压力可调节室的压力基于薄膜厚度测量装置测量的相应区域的薄膜厚度被调节。
在本发明的一个优选方面中，基片抛光设备还包括用于储存分别用于基片相应区域的抛光条件的储存装置；基于薄膜厚度测量装置所测量的相应区域的薄膜厚度计算基片相应区域的抛光速率的计算装置；和基于计算的抛光速率校正包括所述压力可调节室的压力的抛光条件的校正装置。
在本发明的一个优选方面中，薄膜厚度测量装置在基片被抛光后测量基片上的薄膜厚度。
在本发明的一个优选方面中，薄膜厚度测量装置在基片正被抛光时测量基片上的薄膜的薄膜厚度。
在本发明的一个优选方面中，基片被移动通过薄膜厚度测量装置的检测传感器，从而通过检测传感器获得时间序列数据；且薄膜厚度测量装置将时间序列数据分配到基片的各个区域，从而获得相应区域的薄膜厚度。
在本发明的一个优选方面中，薄膜厚度测量装置包括涡流传感器、光学传感器、温度传感器、转矩电流传感器或微波传感器。
根据本发明的另一方面，提供一种通过压靠基片到抛光台的抛光表面而抛光基片的方法，该方法包括：由具有多个压力可调节室的基片支架保持基片；通过薄膜厚度测量装置测量对应于相应压力可调节室的基片的多个区域的薄膜厚度；且基于所测量的相应区域的薄膜厚度来调节相应压力可调节室的压力。
在本发明的一个优选方面中，薄膜厚度测量装置包括涡流传感器、光学传感器、温度传感器、转矩电流传感器和微波传感器中的至少一个；且相应区域的薄膜厚度从来自至适合基片上的薄膜的类型的至少一个传感器的信号或信号组合得出。
在本发明的一个优选方面中，基于薄膜厚度测量装置所测量的薄膜厚度，用于抛光基片的操作方式被转换成另一种。
在本发明的一个优选方面中，基于薄膜厚度测量装置所测量的薄膜厚度，薄膜厚度测量装置的操作方式被转换成另一种。
在本发明的一个优选方面中，基于薄膜厚度测量装置所测量的薄膜厚度，检测停止抛光基片的计时。
在本发明的一个优选方面中，涡流传感器被用作用于测量基片的相应区域的薄膜厚度的薄膜厚度测量装置；基片被移动通过薄膜厚度测量装置的检测传感器，从而通过检测传感器获得时间序列数据；且时间序列数据被分配到基片的各个区域，从而获得相应区域的薄膜厚度。
在本发明的一个优选方面中，基片的相应区域的薄膜厚度被重复测量、且在所述压力可调节室中的压力被重复调节，从而相应区域的薄膜厚度集中在预定范围内。
根据本发明的另一方面，提供一种测量基片上的薄膜的厚度的方法，该方法包括：设置面对基片的传感器电路；电磁地相互连接基片和传感器电路；将传感器电路的阻抗变化转换为传感器电路的谐振频率；测量谐振频率的变化；并基于谐振频率的变化计算薄膜厚度的变化。
根据本发明另一方面，提供一种基片抛光设备，包括：用于抛光基片的表面的抛光表面；用于保持基片使基片的表面与抛光表面接触的基片支架；靠近抛光表面设置的传感器电路；用于将传感器电路的阻抗变化转换为传感器电路和基片的谐振频率的阻抗—频率转换电路；和用于将谐振频率变化转换为基片表面上的薄膜厚度的频率—厚度转换电路。
根据本发明另一方面，提供一种测量基片上的薄膜的厚度的方法，该方法包括：设置面对基片的传感器电路；电磁地相互连接基片和传感器电路；测量传感器电路的阻抗变化；且依靠阻抗变化检测薄膜厚度变化。
根据本发明另一方面，提供一种基片抛光设备，包括：用于抛光基片的表面的抛光表面；用于保持基片使基片的表面开始与抛光表面接触的基片支架；靠近抛光表面设置的传感器电路和用于将传感器电路的阻抗变化转换为基片的表面上的薄膜的厚度的阻抗—厚度转换电路。
根据本发明，使基片的各个区域保持与抛光台的抛光表面滑动接触的压力根据基片相应区域的薄膜厚度被调节。因此，对于每个区域基片能以所需的抛光速率被抛光，且因此基片上的薄膜厚度能被非常精确地控制。因为不需要在抛光表面上形成开口，当基片被抛光时最好采用涡流传感器用于测量薄膜厚度。然而，可以使用用于输出表示基片上的薄膜厚度的信号的传感器。例如，光学传感器、温度传感器、转矩电流传感器或微波传感器可以被使用或可以与涡流传感器组合。
根据本发明的基片抛光设备具有能调节沿基片径向分布的压力的基片支架和能测量沿径向分布的薄膜厚度的薄膜厚度测量装置。因此，基片支架的操作数据(菜单)能被自动调节，从而能获得均匀且稳定的抛光结果。另外，在抛光包括Cu膜和Ta的阻挡膜的双层膜或类似物的情况下，例如，在这两个薄膜之间的界面能通过薄膜厚度测量装置被检测，且因此诸如压力等的抛光条件能从用于Cu膜的条件被转变到用于阻挡膜的条件。薄膜厚度测量装置的例如涡流传感器的振荡器的振荡频率可被转变，从而使薄膜厚度测量装置本身处于适合检测阻挡膜的条件下。
附图说明
图1是显示执行根据本发明实施例的基片抛光方法的基片抛光设备的平面图，图1显示了基片抛光设备的组件的布置；
图2是部分以横截面图显示基片抛光设备的抛光台和相关组件的示意图；
图3是显示基片抛光设备的基片支架的垂直横截面视图；
图4是显示基片抛光设备的基片支架的底视图；
图5是显示薄膜厚度测量装置和基片抛光设备的控制器的方框图；
图6是说明由基片抛光设备执行的抛光过程的流程图；
图7是说明由基片抛光设备执行的另一抛光过程的流程图；
图8是说明由基片抛光设备执行的抛光菜单校正过程的流程图；
图9是显示基片抛光设备的薄膜厚度测量装置的终点检测图案的表；
图10A和图10B是显示基片抛光设备的薄膜厚度测量装置的方框图；
图11是显示基片抛光设备的薄膜厚度测量装置的传感器线圈的透视图；
图12A到图12C是显示基片抛光设备的薄膜厚度测量装置的传感器线圈的连接配置；
图13是显示基片抛光设备的薄膜厚度测量装置的同步检波电路的方框图；
图14是显示在使用基片抛光设备的薄膜厚度测量装置测量薄膜厚度时，阻抗分量(R)和电抗分量(X)的转变轨迹曲线图；
图15A到图15C是显示在使用基片抛光设备的薄膜厚度测量装置测量薄膜厚度时，阻抗分量(R)和电抗分量(X)的转变方式的示例的曲线图；
图16A和图16B是显示基片抛光设备的基本部分的垂直横截面视图；
图17是说明基片抛光设备操作方式的平面图；
图18是说明基片抛光设备的薄膜厚度测量装置的传感器信号的曲线图；
图19A和图19B是说明使用基片抛光设备抛光基片的原理的示意图；
图20是说明基片抛光设备的薄膜厚度测量装置的多个传感器信号的曲线图；
图21是说明基片抛光设备操作方式的平面图；
图22A和图22B是说明基片抛光设备的薄膜厚度测量装置的多个传感器信号的曲线图；
图23是说明基片抛光设备的薄膜厚度测量装置的输出信号的曲线图；以及
图24A到24C是显示基片抛光设备的薄膜厚度测量装置的多个传感器信号的曲线图。
具体实施方式
根据本发明的一个实施例的基片抛光设备和基片抛光方法将在下面参考附图来描述。图1到图24C显示了根据本发明实施例执行基片抛光方法的基片抛光设备。
图1是显示根据本发明实施例的基片抛光设备的布置的平面图。基片抛光设备包括分别具有抛光表面的多个抛光台100、分别用于保持将被抛光的基片并压靠基片到抛光表面的多个顶圈1(基片支架)和用于测量形成在基片上的薄膜的厚度的薄膜厚度测量装置200′。
基片抛光设备包括传送机器人1004，它可在轨道1003上移动，以从基片被放到其中的盒子1001传送诸如半导体晶片等的基片或传送诸如半导体晶片等的基片到基片被安放到其中的盒子1001。将被抛光的基片或已被抛光的基片在传送机器人1004和旋转运输装置1027之间通过放置工作台1050和传送机器人1020被传送。在旋转运输装置1027上的基片被顶圈1逐一保持，然后设置到抛光台100上，以便多个基片被连续抛光。如图1所示，基片抛光设备包括用于清洁和干燥已抛光基片的清洁单元1005和1022。基片抛光设备还包括用于进行两级抛光的多个抛光台1036、用于修整抛光台100和1036的修整器1038和3000、以及用于清洁修整器1038的水箱1043。
基片抛光设备包括用于测量已抛光、清洁并干燥的基片(半导体晶片)上的薄膜的厚度的在线薄膜厚度测量装置200′。在已抛光基片通过传送机器人1004被储存到一个盒子1001中之前或在将被抛光基片通过传送机器人1004被从一个盒子1001取出之后，薄膜厚度测量装置200′测量薄膜厚度，这被称为“在线”方式。薄膜厚度测量装置200′基于来自传感器线圈的涡流信号、从光学装置发射到基片表面的入射光和来自表面的反射光的光信号、表示基片表面温度的信号、从基片表面反射的微波信号或这些信号的组合来测量薄膜厚度。将被薄膜厚度测量装置200′测量的目标包括诸如Cu膜的导电薄膜或阻挡层等，或在诸如半导体晶片的基片上的诸如氧化膜的绝缘薄膜。当基片被抛光或基片被抛光以后，薄膜厚度测量装置200′通过监测传感器信号和测量值检测导电薄膜从基片上的去除而不是诸如互连等的必要面积，或绝缘薄膜的去除，以便确定化学机械抛光过程的终点并重复合适的化学机械抛光工艺。
如图2所示，每一抛光台100具有在线型薄膜厚度测量装置200，用于在抛光过程中测量基片上的薄膜厚度。通过薄膜厚度测量装置200测量的薄膜厚度被传送到控制器400并被用于校正基片抛光设备的操作数据(菜单)。在每一个抛光步骤中，单个传感器输出或传感器输出的组合被与抛光工艺条件(例如，抛光台100和顶圈1的旋转速度、以及顶圈1的压力)一起使用，从而测量金属薄膜或诸如氧化膜等的非金属薄膜的厚度或厚度的相对变化量。薄膜厚度测量装置被设计为测量薄的薄膜或厚的薄膜的厚度或厚度变化量。薄膜厚度测量装置的测量值被用于设定抛光过程的各种条件，特别是用于检测抛光过程的终点。薄膜厚度测量装置能测量基片径向划分的区域的薄膜厚度。通过顶圈1施加到基片的这些径向划分的区域的压力基于表示被薄膜厚度测量装置在各个区域测量的薄膜厚度的信息被调节。
基片抛光设备的顶圈1(基片支架)用于保持诸如半导体晶片等的将被抛光基片并压靠基片到抛光台100的抛光表面。如图2所示，上表面安装有抛光垫(抛光布)101的抛光台100被设置在作为基片支架的顶圈1的下面。抛光液供给喷嘴102被设置在抛光台100的上面，用于供给抛光液Q到抛光台100上的抛光垫101上。
各种类型的抛光垫在市场上能大批供应。例如，其中一些是由Rodel公司制造的SUBA800、IC-1000、IC-1000/SUBA400(双层布)，由Fujimi公司制造的Surfin xxx-5、Surfin 000，等等。SUBA800、Surfin xxx-5、和Surfin 000是以聚氨酯树脂为边的无纺织物。IC-1000是由硬泡沫聚氨酯(单层)制成。泡沫聚氨酯是多孔的并具有形成在其表面上的大量细小的凹槽或孔洞。
顶圈1通过万向接头10被连接到顶圈驱动轴11上，且顶圈驱动轴11被连接到固定到顶圈头110的顶圈气缸111上。顶圈气缸111运转以垂直移动顶圈驱动轴11从而整体升起或降低顶圈1，并压靠固定到顶圈本体2下端的挡圈3到抛光台100上。顶圈气缸111通过调整器RE1被连接到压力调节单元120。压力调节单元120通过供给诸如压缩空气等的加压流体或抽真空来调节压力。从而，压力调节单元120能通过调整器REl调节被供给到顶圈气缸111的加压流体的流体压力。因此，就可调节压紧抛光垫101的挡圈3的压力。
顶圈驱动轴11通过一个键(未显示)被连接到旋转套筒112上，旋转套筒112具有固定设置在其周边部位上的正时轮113。顶圈电机114被固定到顶圈头110上，且正时轮113通过正时皮带115被连接到安装在顶圈电机114上的正时轮116上。因此，当顶圈电机114被通电旋转时，旋转套筒112和顶圈驱动轴11通过正时轮116、正时皮带115和正时轮113彼此一起旋转从而旋转顶圈1。顶圈头110通过被一个框架(未显示)旋转支撑的顶圈头轴117被支撑。
作为基片支架的顶圈1将参考图3和图4在下面详细描述。图3是显示根据本实施例的顶圈1的垂直横截面视图，且图4是图3中所示顶圈1的底视图。
如图3所示，作为基片支架的顶圈1包括内部有安放空间的圆柱容器形顶圈本体2和固定在顶圈本体2下端的环形挡圈3。顶圈本体2由诸如金属或陶瓷等的高强度和高硬度的材料制成。挡圈3由高硬度树脂、陶瓷或类似物制成。
顶圈本体2包括圆柱容器形壳体2a、安装在壳体2a内圆柱形部位中的环形增压片支撑2b和装到形成在壳体2a的上表面周边的槽中的环形密封2c。挡圈3被固定到顶圈本体2的壳体2a的下端。挡圈3具有一个径向向内凸出的下部。挡圈3可以和顶圈本体2整体形成。
顶圈驱动轴11被设置在顶圈本体2的壳体2a的中心部位上方，且顶圈本体2通过万向接头10被连接到顶圈驱动轴11上。万向接头10具有球面轴承机构，顶圈本体2和顶圈驱动轴11通过球面轴承机构可相对彼此倾斜；和用于传递顶圈驱动轴11的旋转到顶圈本体2的旋转传递机构。当允许顶圈本体2和顶圈驱动轴11相对彼此倾斜时，球面轴承机构和旋转传递机构将压力和旋转力从顶圈驱动轴11传递到顶圈本体2。
球面轴承机构包括居中地限定在顶圈驱动轴11下表面上的半球形内凹部11a、居中地限定在壳体2a的上表面上的半球形内凹部2d和由诸如陶瓷等的高硬度材料制成并放在内凹部11a和2d之间的轴承滚珠12。旋转传递机构包括固定到顶圈驱动轴11的传动销(未显示)和固定到壳体2a的从动销(未显示)。即使顶圈本体2相对于顶圈驱动轴11倾斜，因为传动销和从动销相对彼此可垂直移动，当接触点移位时，传动销和从动销仍然相互啮合。因此，旋转传递机构可靠地传递顶圈驱动轴11的转动扭矩到顶圈本体2。
顶圈本体2和整体被固定到顶圈本体2的挡圈3限定了其中的安放空间。紧密接触半导体晶片W的弹性垫4、环形支架环5和用于支撑弹性垫4的盘状夹板6被设置在安放空间中。弹性垫4的周边部位被置入到支架环5和固定到支架环5下端的夹板6之间。夹板6的下表面被弹性垫4覆盖。因此，一个空间被限定在弹性垫4和夹板6之间。
夹板6可以由金属制成。然而，在形成在半导体晶片的表面上的薄膜的厚度通过使用涡流的方法以将被抛光的半导体晶片被顶圈1保持的状态被测量的情况下，夹板6应最好由非磁性材料例如绝缘材料制成。例如，诸如四氟乙烯等的氟基树脂、SiC(碳化硅)或诸如Al₂O₃等的陶瓷可以被用作夹板6的材料。
包括弹性膜的增压片7被设置在支架环5和顶圈本体2之间。增压片7的外圆周边缘被夹紧在顶圈本体2的壳体2a和增压片支撑2b之间，且增压片7的内圆周边缘被夹紧在支架环5的上端部位5a和限位块5b之间。顶圈本体2、夹板6、支架环5和增压片7共同地限定顶圈本体2中的压力室21。如图3所示，压力室21与包括管子、连接器及类似物的流体通道31相通。压力室21通过设置在流体通道31上的调整器RE2被连接到压力调节单元120。增压片7由诸如乙烯丙烯橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶或硅橡胶等的高强和耐久的橡胶材料制成。
在增压片7由诸如橡胶等的弹性材料制成的情况下，如果增压片7被固定地夹紧在挡圈3和顶圈本体2之间，那么由于作为弹性材料的增压片7的弹性变形，在挡圈3的下表面不能维持理想的水平面。在本实施例中，为了防止这种缺点，增压片7被夹紧在顶圈本体2的壳体2a和设置为独立件的增压片支撑2b之间。挡圈3可以相对顶圈本体2垂直移动，或挡圈3可以具有能独立于顶圈本体2压靠抛光表面的结构。在这种情况下，增压片7不需要以上述方式固定。
以环形槽形式的清洁液体通道51形成在壳体2a的上表面顶圈本体2的密封2c与壳体2a相配合的位置。清洁液体通道51通过形成在密封2c上的通孔52与流体通道32相通，从而诸如纯水等的清洁液通过流体通道32被供给到清洁液通道51。多个连通孔53从清洁液通道51向下延伸并穿过壳体2a和增压片支撑2b。连通孔53与在弹性垫4外周面和挡圈3的内周面之间的小缝隙G相通。
与弹性垫4接触的中心囊(中心接触元件)8和环形管9(外接触元件)被设置在弹性垫4和夹板6之间所限定的空间内。在这个实施例中，如图3和图4所示，中心囊8被居中设置在夹板6的下表面，且环形管9沿径向被设置在中心囊8的外侧，从而围绕中心囊8。与增压片7一样，弹性垫4、中心囊8和环形管9由诸如乙烯丙烯二烯系单体(EPDM)、聚氨酯橡胶或硅橡胶等的高强和耐久的橡胶材料制成。
夹板6和弹性垫4之间所限定的空间被中心囊8和环形管9分成多个空间。具体是，压力室22被限定在中心囊8和环形管9之间，且压力室23被限定在环形管9的径向外侧。
中心囊8包括与弹性垫4上表面接触的弹性膜81和用于可拆卸地保持弹性膜81的中心囊支架82。中心囊支架82具有位于其上的螺纹孔82a，且中心囊8通过拧入到螺纹孔82a中的螺钉55被可拆卸地固定到夹板6下表面的中心部位。中心囊8具有由弹性膜81和中心囊支架82所限定的中心压力室24。
同样地，环形管9包括与弹性垫4上表面接触的弹性膜91和用于可拆卸地保持弹性膜91的环形管支架92。环形管支架92具有位于其上的螺纹孔92a，且环形管9通过拧入到螺纹孔92a中的螺钉56被可拆卸地固定到夹板6的下表面。环形管具有由弹性膜91和环形管支架92所限定的中间压力室25。
压力室22和23、中心压力室24和中间压力室25分别与每个都包括管子、连接器和类似物的流体通道33、34、35和36相通。压力室22至25各自通过分别设置在流体通道33到36上的调整器RE3、RE4、RE5和RE6被连接到压力调节单元120。流体通道31到36分别被连接到纯水供给源(未显示)，且还通过安装在顶圈轴11上端的旋转接头(未显示)分别被连接到调整器RE2到RE6。
位于夹板6上面的压力室21和压力室22至25通过与这些压力室相通的流体通道31、33、34、35和36被供给诸如压缩空气或大气等的加压流体或被抽真空。如图2所示，设置在流体通道31、33、34、35和36上的调整器RE2到RE6能调整供给到各个压力室21到25的加压流体的压力。压力室21到25中的压力因此能被相互独立地控制，或在压力室21到25中产生大气压力和真空。采用这种方式，由于在压力室21到25中的压力能通过调整器RE2到RE6彼此相互独立地被改变，通过弹性垫4将半导体晶片W压靠到抛光垫101的压力能在半导体晶片W的各个部位(划分的区域)被调节。在一些情况下，这些压力室21到25可以被连接到真空源121。
供给到压力室22至25的加压流体或大气可以被控制温度，因而用于从工件的被抛光表面的背面直接控制诸如半导体晶片等的工件的温度。特别是，当压力室被独立地控制温度时，化学机械抛光过程的化学抛光过程中的化学反应的速度能被控制。
如图4所示，弹性垫4具有多个孔口41，内吸引部61从夹板6向下凸出，以便通过位于中心囊8和环形管9之间的各个孔口41而露出。外吸引部62从夹板6向下凸出，以便通过位于环形管9的径向外侧的各个孔口41而露出。在这个实施例中，弹性垫4具有八个孔口41，且吸引部61和62通过这些孔口而露出。
每个内吸引部61具有与流体通道37相连的连通孔61a，且每个外吸引部62具有与流体通道38相连的连通孔62a。内吸引部61和外吸引部62分别通过流体通道37和38以及阀V1和V2被连接到诸如真空泵等的真空源121上。当内吸引部61和外吸引部62的连通孔61a和62a被连接到真空源121时，在连通孔61a和62a的开口端产生负压，从而吸引半导体晶片W到内吸引部61和外吸引部62。诸如薄橡胶板等的弹性板61b和62b分别被安装到内吸引部61和外吸引部62的下端表面，因此，内吸引部61和外吸引部62轻轻地吸引和保持半导体晶片W。
如图3所示，当半导体晶片W被抛光时，内吸引部61和外吸引部62被设置在弹性垫4下表面上方，从而不从弹性垫4的下表面凸出。当吸引半导体晶片W时，内吸引部61和外吸引部62的下端表面被大体设置在与弹性垫4的下表面相同的平面内。
由于小缝隙G形成在弹性垫4的外周表面和挡圈3的内周表面之间，支架环5、夹板6和安装在夹板6上的诸如弹性垫4等的组件可相对于顶圈本体2和挡圈3以漂浮方式垂直移动。支架环5的限位块5b具有多个从限位块5b的外周边缘径向向外凸出的凸出部5c。当凸出部5c啮合挡圈3的向内凸出部位的上表面时，包括上面支架环5在内的组件的向下运动被限制在预定位置。
如此构造的挡圈1的操作将在下面描述。
在基片抛光设备中，首先，作为一个整体的顶圈1被移动到半导体晶片的传送位置，然后内吸引部61和外吸引部62的连通孔61a和62a通过流体通道37和38被连接到真空源121。连通孔61a和62a被抽真空以借助真空吸引半导体晶片W到内吸引部61和外吸引部62的下端表面。随着半导体晶片W被吸引到顶圈1，作为一个整体的顶圈1被移动到具有抛光表面(抛光垫101)的抛光台100上方的位置。半导体晶片W的周边被挡圈3固定，从而防止半导体晶片W从顶圈1脱离。
当半导体晶片W被抛光时，半导体晶片W被从吸引部61和62放开，且保持到顶圈1的下表面上。被连接到顶圈驱动轴11的顶圈气缸111被开动，以便以预定压力压靠固定到顶圈1的下端的挡圈3到抛光台100的抛光表面。在这种状态下，具有相应压力的加压流体被供给到压力室22和23、中心压力室24和中间压力室25，从而压靠半导体晶片W到抛光台100的抛光表面。抛光液供给喷嘴102供给抛光液Q到抛光垫101上，所以抛光液Q被抛光垫101保持。因此，半导体晶片W被存在于半导体晶片W的将被抛光表面(下表面)和抛光垫101之间的抛光液Q抛光。
半导体晶片W分别位于压力室22和23之下的部位被供给到压力室22和23的加压流体的压力压靠到抛光表面。半导体晶片W位于中心压力室24之下的部位通过中心囊8的弹性膜81和弹性垫4在供给到中心压力室24的加压流体的压力作用下压靠到抛光表面。半导体晶片W位于中间压力室25之下的部位通过环形管9的弹性膜91和弹性垫4在供给到中间压力室25的加压流体的压力作用下压靠到抛光表面。
因此，施加到半导体晶片W上的抛光压力可在半导体晶片W径向布置的各个部位通过控制供给到压力室22至25的加压流体的压力而被调节。具体是，控制器(控制装置)400控制调整器(调整机构或调节机构)RE3到RE6，从而独立地调整供给到压力室22至25的加压流体的压力，从而用于在半导体晶片W的各个部位调节压靠半导体晶片W到抛光台100上的抛光垫101的压力。随着半导体晶片W的每个部位中的抛光压力被调整到一个理想值，半导体晶片W被压靠到被旋转着的抛光台100的抛光垫101上。同时，调整器REl调整供给到顶圈气缸111的加压流体的压力，以改变通过挡圈3施加到抛光垫101的压力。采用这种方式，当半导体晶片W被抛光时，通过挡圈3施加到抛光垫101的压力和压靠半导体晶片W到抛光垫101的压力被调整，以提供分别施加到半导体晶片W的中心区域(图4中C1)、中间区域(C2)、外部区域(C3)、周边区域(C4)和设置在半导体晶片W外侧的挡圈3的下表面上的压力的理想分布。
半导体晶片W具有位于压力室22和23之下的部位。在这个部位中，存在着两个区域。一个区域通过弹性垫4被加压流体压住，且另一区域直接被加压流体压住。后者是位置对应于孔口41的部位。这两个区域可以以相同的压力被压住，或可以以不同的压力被压住。由于弹性垫4保持与半导体晶片W的背面密切接触，压力室22和23中的加压流体基本上被阻止通过孔口41泄漏到外面。
采用这种方式，半导体晶片W被分成同心布置的四个区域，包括一个圆形区域和三个环形区域(C1、C2、C3和C4)，因此这些区域(部位)能以独立的压力被压靠。抛光速率决定于施加到半导体晶片W的表面上的压力。如上所述，由于施加到这些区域的压力能被控制，半导体晶片W在四个区域(C1到C4)的抛光速率能被独立地控制。因此，即使半导体晶片W表面上将被抛光的薄膜具有沿着径向的厚度分布，半导体晶片W的整个表面能被防止抛光不足或抛光过度。具体是，即使半导体晶片W表面上将被抛光的薄膜在半导体晶片W的径向具有不同厚度分布，位于较厚部位上方的压力室的压力被设定得比其他压力室中的压力高，或位于较薄部位上方的压力室的压力被设定得比其他压力室中的压力低。从而，施加到较厚部位的压力能比施加到较薄部位的压力高，因此在较厚部位的抛光速率能有选择地被增大。其结果是，半导体晶片W能在其整个表面上均匀地被抛光，而不会受在形成薄膜时已经产生的薄膜厚度分布的影响。
通过控制施加到挡圈3的压力防止半导体晶片的圆周边缘产生边部倒角。如果抛光过程中在半导体晶片W周边的薄膜厚度产生很大变化，那么施加到挡圈3的压力被有意地增加或减少，从而用于控制在半导体晶片W周边的抛光速率。当加压流体被供给到压力室22至25时，向上力通过压力室22至25被施加到夹板6。在这个实施例中，压力室21通过流体通道31被供给加压流体，以便防止夹板6被由压力室22至25施加的力抬起。
如上所述，通过顶圈气缸111施加以压靠挡圈3到抛光垫101的压力和通过供给到压力室22至25的加压流体施加以压靠半导体晶片W的各个区域到抛光垫101的压力被合适地调节以抛光半导体晶片W。当半导体晶片的抛光完成时，半导体晶片W再次被真空吸引到内吸引部61和外吸引部62的下端表面。此时，用于压靠半导体晶片W到抛光表面的加压流体向压力室22至25的供给被停止，且压力室22至25被通入大气，因此使内吸引部61和外吸引部62的下端表面开始接触半导体晶片W。压力室21被通入大气或在压力室21中产生负压。这是因为如果在压力室21中维持高压，那么半导体晶片W保持与内吸引部61和外吸引部62接触的部位被牢固地压靠在抛光表面。因此，需要快速降低压力室21中的压力。如图3所示，顶圈本体2可以具有连通压力室21和大气的减压口39，用于快速降低压力室21中的压力。在这种情况下，需要连续供给加压流体到压力室21，以保持压力室21的内压在一个理想的程度。减压口39具有当在压力室21中产生负压时用于防止大气进入压力室21的止回阀。
当以上述方式吸引半导体晶片W以后，作为整体的顶圈1被移动到传送位置，然后流体(例如，加压流体或氮和纯水的混合物)从内吸引部61和外吸引部62的连通孔61a和62a朝半导体晶片W喷射以松开半导体晶片W。
用于抛光半导体晶片W的抛光液Q趋向于进入弹性垫4的外周表面和挡圈3之间的小缝隙G。如果抛光液Q被稳固地沉积在缝隙G中，那么支架环5、夹板6和弹性垫4被阻止相对于顶圈本体2和挡圈3平滑地垂直移动。为了避免这种缺点，清洁液(纯水)通过流体通道32被供给到清洁液通道51。纯水通过连通孔53被供给到缝隙G，从而清洁缝隙G以防止抛光液Q稳固地沉积在缝隙G中。纯水最好在已抛光半导体晶片W被松开后供给，并直到下一个将被抛光的半导体晶片被吸引到挡圈1。如图3所示，多个通孔3a最好被限定在挡圈3上，以便在后续抛光被执行前排放所有的供给纯水。如果挡圈3、支架环5和增压片7所限定的空间26中产生某一压力，那么夹板6被阻止提升。因此，为了允许夹板6平滑地提升，上述通孔3a最好被设置成便降低空间26中的压力到大气压力。
如上所述，施加到半导体晶片W的压力能通过独立地控制压力室22和23中的压力、中心囊8内的压力室24中的压力、环形管9内的压力室25中的压力而被控制。另外，采用这种顶圈(基片固定装置)1，就可能通过改变中心囊8和环形管9的位置和尺寸而很容易地改变压力受控的区域。
具体是，形成在半导体晶片表面上的薄膜的厚度分布依据用于形成薄膜的方法和设备的类型而变化。采用根据本实施例的顶圈1，用于施加压力到半导体晶片的压力室的位置和尺寸能简单地通过更换中心囊8和中心囊支架82、或环形管9和环形管支架92而改变。因此，压力需要被控制的区域依据被抛光薄膜的厚度分布通过仅仅简单地更换顶圈1的一部分而以低成本被改变。换句话说，可能很容易地以低成本来应对被抛光半导体晶片表面上的薄膜厚度分布的变化。当中心囊8或环形管9的形状和位置被改变时，设置在中心囊8和环形管9之间的压力室22的尺寸以及环绕环形管9的压力室23的尺寸也因此被改变。
在将被基片抛光设备抛光的半导体晶片上，形成用于形成互连的电镀铜膜和用作铜膜基极层的阻挡层。当二氧化硅或类似物的绝缘薄膜形成在将被基片抛光设备抛光的半导体晶片W的最上层时，光学传感器或微波传感器被用于测量绝缘薄膜的厚度。卤素灯、氙气闪光灯、发光二级管、激光束光源或类似物被用作光学传感器的光源。在基片抛光设备中，为了从半导体晶片上不必要的区域(例如，除互连之外的区域)去除诸如绝缘薄膜或导电薄膜等的薄膜，传感器被用于测量将被抛光薄膜的存在。例如，如图2所示，涡流传感器(薄膜厚度测量装置)200被用于测量将被抛光薄膜的厚度，控制器400基于所测量的薄膜厚度控制半导体晶片W的抛光工艺。
基片抛光设备的控制器400所执行的工艺控制将参考图5到图9在下文详细描述。
图5是显示控制器的整个布置的方框图。控制器400基于来自诸如操作面板等的人机界面401的信号和来自执行各种数据处理操作的主计算机402的信号控制抛光工艺，从而半导体晶片W以目标抛光速率被抛光而获得目标轮廓，也就是，理想形状。控制器400具有闭环控制系统403，用于采用存储在硬盘驱动器等上的仿真软件405自动产生用于半导体晶片W的区域C1到C4的抛光菜单(例如，抛光条件)。抛光菜单临时存储在计算电路404的存储器(存储设备)404a中，且闭环控制系统403根据抛光菜单执行抛光控制。在抛光控制中，薄膜厚度和抛光速率基于薄膜厚度测量装置200和200′所获得的测量值通过计算电路404来计算。之后，薄膜厚度和抛光速率被与目标轮廓和目标抛光速率比较，然后反馈过程被执行以根据比较结果校正抛光菜单。采用这种方式，控制器400控制基片抛光设备，以便以最佳条件重复半导体晶片W的抛光。
操作人员能选择执行反馈过程的计时。具体是，反馈过程能在半导体晶片W的抛光过程中或之后被选择性地执行。根据选择，控制器400在抛光过程中或之后校正抛光菜单。控制器400可以在抛光过程中和之后都校正抛光菜单。
具体是，如图6所示，操作人员通过主计算机402选择和输入一个干燥系统模式(在该模式中，薄膜厚度在已抛光半导体晶片被干燥后测量)，还输入目标轮廓和目标抛光速率，也就是，目标去除速率(步骤S1)。仿真软件405自动产生抛光菜单(步骤S2)。根据抛光菜单抛光条件被显示到主计算机402的监视器上，用于提示操作人员决定是否抛光菜单需要被校正(步骤S3)。如果抛光菜单需要被校正，那么闭环控制系统403基于输入的校正信号校正抛光菜单(步骤S4)。然后，半导体晶片W的抛光开始(步骤S5)。
半导体晶片W根据抛光菜单被抛光。当抛光过程完成时，控制器400将抛光过程计数N增加1(步骤S11)。然后，已抛光的半导体晶片W被清洁(步骤S12)并干燥(步骤S13)。
之后，在干燥系统模式中，薄膜厚度测量装置200′测量半导体晶片W上的薄膜的厚度(步骤S14)。抛光结果和详细说明具有已抛光绝缘薄膜或已抛光金属薄膜的半导体晶片W的标识数据被储存。已抛光的半导体晶片W被传送到盒子1001，然后存储到一个盒子1001中(步骤S15)。与半导体晶片W的存储过程同时，决定诸如抛光时间和施加到半导体晶片W的区域C1到C4的每个压力等的抛光菜单基于半导体晶片W上已抛光薄膜的测量厚度被校正并被仿真软件405自动产生(步骤S16)。然后，加工步骤返回到步骤S11，用于抛光下一个半导体晶片W。如果诸如绝缘薄膜或导电薄膜等的已抛光薄膜没有被充分去除或部分薄膜仍残留在半导体晶片W上，那么重新抛光条件被产生，以便仅仅那些对应于残留薄膜位置的压力室被加压以抛光残留薄膜，也就是，免得过度抛光已抛光区域。半导体晶片W然后在重新抛光条件下又被抛光。
在干燥系统模式中，主要需要测量已抛光半导体晶片。因此，使用在抛光以后且干燥之前测量半导体晶片的薄膜厚度的测量装置，而不是在干燥以后测量半导体晶片的薄膜厚度的测量装置。
另一方面，在操作人员通过主计算机402选择和输入一个湿系统模式(在该模式中，当半导体晶片在湿状态被抛光时薄膜厚度被测量)的情况下，加工步骤按以下执行：如图7所示，首先，操作人员输入目标轮廓和目标抛光速率(步骤S1)。抛光菜单被仿真软件405自动产生且抛光工艺开始(步骤S2到S5)。根据抛光菜单，在抛光过程中抛光过程计数(菜单产生计数)N被增加1(步骤S21)，且半导体晶片W上的薄膜厚度通过涡流传感器(薄膜厚度测量装置)200、光学传感器或微波传感器被测量(步骤S22)。
如果已抛光薄膜残留在半导体晶片W上，以至于已抛光薄膜的厚度测量结果显示需要另一抛光过程的程度，那么用于校正抛光条件的新的抛光菜单基于已抛光薄膜的测量厚度被仿真软件405自动产生(步骤S23)。之后，加工步骤被返回到步骤S21，用于再次抛光同一个半导体晶片W。另一方面，如果已抛光薄膜的厚度的测量结果显示不需要另一抛光过程，已抛光的半导体晶片W被清洁(步骤S24)并干燥(步骤S25)。已抛光薄膜的抛光结果被存储且半导体晶片W被传送到盒子1001，并存储到一个盒子1001中(步骤S26)。然后，加工步骤返回到步骤S11，用于抛光下一个半导体晶片W。
通过仿真软件对抛光菜单的校正将参考图8在下面描述。目标轮廓和实际轮廓被相互比较(步骤S31)，且在半导体晶片W的各个区域C1到C4的抛光速率的不同被转换成这些区域C1到C4的压力的不同(步骤S32)。目标抛光速率和实际抛光速率被相互比较(步骤S33)，且抛光半导体晶片W的各个区域C1到C4所需的抛光时间被计算(步骤S34)。用于调节压力的抛光菜单和每个区域C1到C4的抛光时间被作为抛光条件自动产生，并自动校正以反映这些抛光条件(步骤S35)。然后，用于抛光下一个半导体晶片的已校正的抛光菜单被自动产生(步骤S36)。从而，半导体晶片W能被抛光到径向均匀的表面。
上述在线方式的半导体晶片W的薄膜厚度测量被执行，以确定是否在半导体晶片W的特定区域或C1到C4所有区域所需的抛光过程被完成。因此，各种类型的方法可以被使用来确定是否所需的抛光过程被完成。例如，薄膜的去除过程的终点或预定的薄膜厚度可以使用在特定区域的测量结果、在各自区域的测量结果或这些测量结果的平均值基于测量值随时间变化的图形而确定。在这种情况下，测量值随时间的变化可以被一阶微分或n阶微分，以有助于上面的确定。
具体是，抛光过程的终点基于测量值或微分值大大变化的不同时段而被确定。这些时段包括，如图9所示，值等于或高于预定值的时段(检测图形No.0)、值等于或低于预定值的时段(检测图形No.1)、值最大的时段(检测图形No.2)、值最小的时段(检测图形No.3)、值开始增加的时段(检测图形No.4)、值停止增加的时段(检测图形No.5)、值开始减少的时段(检测图形No.6)、值停止减少的时段(检测图形No.7)。这些时段根据被抛光薄膜的类型而选择。抛光过程的终点还能基于微分值(梯度)在预定的范围内或微分值是最大或最小的时段(检测图形No.8到No.10)而确定。抛光过程的终点还能依靠特定测量值收敛到预定范围内(检测图形No.11)的时段而确定。为了获得更高的均匀，抛光过程的终点最好依靠在C1到C4所有区域的所有测量值收敛到预定范围内(检测图形No.12)的时段而确定。
下面是另一确定的例子。在这个例子中，所测量的薄膜厚度的一阶微分值被作为监测目标。在半导体晶片W上多个预先指定区域中的预定区域和另一区域之间的一阶微分值的差值被计算。预先指定区域可以被指定在从一个参考点看时预定径向范围内或预定角度范围内。然后，当差值进入到预定阀值范围内的时段可被确定为抛光过程的终点。作为另一选择，从抛光开始时间的涡流传感器的综合阻抗值Sz可以被计算、并与作为用于监测抛光状态和检测抛光过程终点的基准的综合阻抗值S0相比较。在这种情况下，电阻值Sx、电抗值Sy或综合薄膜厚度St可以被使用替代综合阻抗值Sz。
通过如此测量薄膜的厚度，Cu层或阻挡层的抛光过程的终点在抛光过程中被快速地检测出，从而能立刻停止抛光过程。在抛光厚度为1000的钨(W)层的情况下，可能要求抛光过程改变到低压抛光过程以便获得一个低的抛光速率。即使在这种情况下，涡流传感器(后面将详细描述)能连续测量诸如钨层等的金属层的绝对薄膜厚度，通过监视薄膜厚度抛光工艺能被改变到低压抛光工艺，从而获得表面凹陷和腐蚀的减少。使用涡流传感器使得有可能监视薄阻挡膜或CVD工艺所沉积的薄膜的厚度变化，这些薄膜使用在线型的光学传感器监视很困难。
只要金属薄膜以固态膜(全部覆盖一个区域的薄膜)存在于涡流流动的区域中，涡流传感器能检测金属阻挡膜的抛光过程的终点。如果薄膜厚度的测量结果显示有不规则出现，以致于平面内的均匀度降低或在某一区域的抛光速率超过预定极限值或极限范围，最好立刻停止抛光过程。如果测量结果显示在半导体晶片上出现诸如划痕等的缺陷，最好增加缺陷信息到抛光结果中。
如上所述，根据本实施例，施加到抛光垫的压力根据在区域C1到C4的薄膜厚度可分别在半导体晶片W的区域C1到C4中被调节。从而，半导体晶片W上的薄膜以基于薄膜形状和类型被调节的理想的抛光速率被抛光。因此，半导体晶片W上的薄膜能以高精度被抛光和去除。在用于抛光导电薄膜的过程中，涡流传感器(将在后面详细描述)适合用于作为湿式薄膜厚度测量装置，因为不需要在抛光垫101上形成诸如窗口的开口，且因此半导体晶片W能以低成本被高精度地抛光。然而，根据被抛光物体的特性，微波传感器、光学传感器或类似物也可以被使用。
用作包括在根据本发明的基片抛光设备中的薄膜厚度测量装置的涡流传感器200将参考图10A到图24C在下面详细描述。
如图10A所示，涡流传感器(薄膜厚度测量装置)200包括设置在将被测量的导电薄膜201′附近的传感器线圈(检测传感器)202和连接到传感器线圈202的AC信号源203。作为被测量目标的导电薄膜201′是例如形成在半导体晶片W上的电镀铜膜(或诸如Au、Cr或W等的金属蒸镀薄膜)并具有0到1μm的厚度范围，或形成作为电镀铜膜下面基层的阻挡层并具有埃数量级范围内的厚度。阻挡层是由Ta、TaN、Ti、TiN、WN或类似物制成的高电阻层。测量阻挡层的厚度对于精确检测化学机械抛光过程的终点很重要。传感器线圈202是设置在导电薄膜201′附近的检测线圈且与导电薄膜201′间隔1.0到4.0mm的距离。将被涡流传感器测量的目标包括导电材料和诸如Al(Al薄膜)等的金属材料、用于接触插头中的多晶硅以及用于硬盘磁头中的CoFe和Zr(氧化锆)。形成在半导体晶片上的金属薄膜和具有金属互连的半导体基片也是将被涡流传感器测量的目标。
涡流传感器的例子包括频率型涡流传感器和阻抗型涡流传感器。频率型涡流传感器基于导电薄膜201′中感应的涡流引起的振荡频率的变化来测量导电薄膜201′的厚度。阻抗型涡流传感器基于阻抗的变化来测量导电薄膜201′的厚度。图10B显示了一个等效电路。在频率型涡流传感器中，当涡流I₂被改变时，阻抗Z被改变，从而引起信号源(可变频率振荡器)203的振荡频率变化。检波电路205检测振荡频率的变化从而检测薄膜厚度的变化。在阻抗型涡流传感器中，如图10B的等效电路所示，当涡流I₂被改变时，阻抗Z被改变。当从信号源(可变频率振荡器)203看的阻抗Z被改变时，检波电路205检测阻抗Z的变化，从而检测薄膜厚度的变化。
在阻抗型涡流传感器中，信号输出X和Y、相位、和组合阻抗Z如后面所述的推导。在将频率F或阻抗X和Y转换成薄膜厚度时，就可能获得表示Cu、Al、Au和W的金属薄膜、Ta、TaN、Ti、TiN和WN的阻挡膜以及接触插头的多晶硅薄膜的薄膜厚度的测量信息。这些测量值可以被单独或组合使用来确定抛光过程的终点。涡流传感器被镶入到抛光台100的表面附近且面朝通过抛光垫101将被抛光的半导体晶片W，从而基于流过导电薄膜的涡流来检测半导体晶片上的导电薄膜的薄膜厚度。
涡流传感器的频率可以从单一无线电波、混合无线电波、AM无线电波、FM无线电波、函数发生器的扫描输出或多个振荡频率源获得。最好根据将被测量的金属薄膜的类型选择高灵敏度的振荡频率和调制方法。
阻抗类涡流传感器将在下面特别详细地描述。AC信号源203包括用于产生在2到8MHz范围内的固定频率的振荡器。石英晶体振荡器可以被用作这种振荡器。当交流电压从AC信号源203被供给到传感器线圈202时，电流I₁流过传感器线圈202。当电流流过设置在导电薄膜201′附近的传感器线圈202时，磁通量与导电薄膜201′互连，从而在其之间形成互感M而在导电薄膜201′中感应涡流I₂。在图10B中，R₁表示在包括传感器线圈202的初级端的等效电阻，且L₁表示在也包括传感器线圈202的初级端的自感。在导电薄膜201′，R₂表示对应于涡流损耗的等效电阻，且L₂表示自感。从AC信号源203的端子“a”和“b”朝传感器线圈202看的阻抗Z根据导电薄膜201′中引起的涡流损耗的量值而改变。
图11显示了根据本实施例的涡流传感器的传感器线圈的布置。传感器线圈202具有用于在导电薄膜中产生涡流的线圈和与上面的线圈分离的、用于检测导电薄膜中的涡流的线圈。具体是，传感器线圈202包括围绕绕线管311缠绕的三个线圈312、313和314。中心线圈312是被连接到AC信号源203的振荡线圈。AC信号源203供给电压到振荡线圈312，且因此振荡线圈312产生磁场，从而在设置在振荡线圈312附件的半导体晶片W上的导电薄膜201′中产生涡流。检测线圈313被设置在绕线管311的上侧(也就是，在导电薄膜201′侧)，并检测导电薄膜201′中产生的涡流所产生的磁场。平衡线圈314被设置在检测线圈313的相对于振荡线圈312的另一侧。
图12A、图12B和图12C是显示传感器线圈的线圈的连接配置。在本实施例中，线圈312、313和314具有同样的匝数(1到20匝)，且检测线圈313和平衡线圈314被以正相位彼此连接。
检测线圈313和平衡线圈314构成正相位串联电路，其终端被连接到包括可变电阻器316的电阻电桥电路317，如图12A所示。线圈312被连接到AC信号源203且因此产生一个交变磁通量，从而在靠近线圈312设置的导电薄膜201′中产生涡流。通过调节可变电阻器316的电阻，具有线圈313和314的串联电路的输出电压能被调节，使得当没有导电薄膜在附近时输出电压为零。可变电阻器316(VR₁、VR₂)被并联连接到线圈313和314，并被调节以保持信号L₁和L₂彼此同相。具体是，在图12B所示的等效电路中，可变电阻器VR₁(＝VR_1-1+VR_1-2)、VR₂(＝VR_2-1+VR_2-2)被调节以满足下面的等式：
        VR_1-1×(VR_2-2+jωL₃)＝VR_1-2×(VR_2-1+jωL₁)
采用这种方式，如图12C所示，信号L₁和L₂(点划线所示)被转换为彼此具有同相和同振幅，如实线所示。
当导电薄膜出现在检测线圈313附件时，产生在导电薄膜中的涡流所产生的磁通量与检测线圈313和平衡线圈314互连。由于检测线圈313位于比平衡线圈314更靠近导电薄膜的位置，线圈313和314的感应电压失去均衡，因此能检测流过导电薄膜的涡流所产生的磁通匝连数。通过将具有检测线圈313和平衡线圈314的串联电路与连接到AC信号源203的振荡线圈312分开、以及使用电阻电桥电路317调节均衡，就能调节零点。由于流过导电薄膜的涡流能从零点被检测，产生在导电薄膜中的涡流能以增强的灵敏度被检测。因此，涡流大小能在一个宽的动态范围内被检测。
图13是显示用于从AC信号源203朝传感器线圈202看的测量阻抗Z的电路的例子。图13所示的阻抗测量电路能提取电阻分量(R)、电抗分量(X)、振幅输出(Z)和相位输出(tan^-1R/X)，它们根据薄膜厚度的改变而变化。通过使用这四个信号输出，就可能检测抛光过程的进展。例如，薄膜厚度能基于振幅的大小而被测量。
如上所述，AC信号源203供给AC信号到紧靠其上具有导电薄膜201′半导体晶片W设置的传感器线圈202。AC信号源203包括诸如石英晶体振荡器的固定频率型振荡器。AC信号源203供给具有例如2MHz或8MHz固定频率的电压。AC信号源203所产生的AC电压通过带通滤波器302传送到传感器线圈202。在传感器线圈202终端检测的信号通过高频放大器303和移相电路304被供给到包括余弦同步检波电路305和正弦同步检波电路306的同步检波器。同步检波器提取检测信号的余弦分量和正弦分量。AC信号源203所产生的振荡信号被供给到移相电路304，在此振荡信号被分解成两个信号，也就是，同相分量(0°)和正交分量(90°)。这两个信号被分别引入到余弦同步检波电路305和正弦同步检波电路306，从而执行上面的同步检测。
同步检测的信号被供给到低通滤波器307和308。低通滤波器307和308从同步检测的信号中去除不必要的高频分量，从而提取电阻分量(R)作为余弦同步检测输出以及电抗分量(X)作为正弦同步检测输出。矢量计算器309从电阻分量(R)和电抗分量(X)推导出振幅(R²+X²)^1/2。矢量计算器310从电阻分量(R)和电抗分量(X)推导出相位(tan^-1R/X)。薄膜厚度测量装置具有不同类型的滤波器，用于从传感器信号中去除噪声分量。这些滤波器具有各自的截止频率。例如，低通滤波器具有0.1到10Hz范围内的截止频率，用于去除当半导体晶片被抛光时混入到传感器信号中的噪声分量。采用这种低通滤波器，薄膜厚度能以高精度被测量。
图14是显示从AC信号源看的阻抗Z被改变的方式。水平轴表示电阻分量(R)且垂直轴表示电抗分量(X)。点“A”表示薄膜具有一个非常大的厚度的情况，例如，100μm或更多。在这种情况下，从AC信号源203的终端“a”和“b”看的传感器线圈202的阻抗Z具有非常小的电阻分量(R)和非常小的电抗分量jω(M+L₂)，因为设置在传感器线圈202附近的导电薄膜201中的涡流非常大，它们被等效并联到传感器线圈202。因此，电阻分量(R)和电抗分量(X)都变小。
当随着抛光过程进行导电薄膜开始变薄时，阻抗Z的等效电阻分量(R)和电抗分量jω(M+L₂)增加。“B”表示从传感器线圈202的输入终端看的阻抗Z的电阻分量(R)为最大的点。在这点，从传感器线圈202的输入终端看的涡流损耗为最大。随着抛光过程的进一步进行和导电薄膜变得更薄，涡流减小，且从传感器线圈202看的电阻分量(R)逐渐变小，因为涡流损耗被逐渐减小。当导电薄膜通过抛光被完全去除后，没有涡流损耗产生且等效并联的电阻分量(R₂)被增加到无穷大，从而只留下传感器线圈202自己的电阻分量(R)。在这时，电抗分量(X)仅仅由传感器线圈202自己的电抗分量(X₁)构成。这个点由图14中的“C”表示。
当根据所谓波纹镶嵌工艺在二氧化硅薄膜上限定的槽中形成金属互连时，氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)或类似物的阻挡层被形成在二氧化硅薄膜上，且具有高电导率的铜、钨或类似物的金属互连被形成在阻挡层上。当这些导电层被抛光时，检测抛光阻挡层的过程的终点很重要。然而，如上所述，阻挡层是氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)或类似物的薄膜，它们具有相对低的电导率和在埃数量级范围内的非常小的厚度。
根据本实施例的涡流传感器能在抛光过程终点附近很容易地检测诸如阻挡层的厚度、以及在抛光时检测阻挡层的厚度。这个涡流传感器的测量值不是相对的薄膜厚度，而是一个绝对薄膜厚度。在图14中，点“D”表示薄膜厚度大约在1000的状态，随着抛光过程的进行将被减小到零。当薄膜厚度从点“D”改变到点“C”时，电阻分量被极大地且大体线性地改变。在这一时期内，如图14所示，与电阻分量比较，电抗分量(X)改变非常小。因此，由于电抗分量的变化，对于基于振荡频率的变化来测量薄膜厚度的涡流传感器是存在问题的，因为与厚度变化相比较，这种振荡频率的变化非常小。因此，为了提高频率变化的分辨率，频率应该被增加。然而，当振荡频率固定时，涡流传感器(薄膜厚度测量装置)200能基于电阻分量的变化来检测薄膜厚度的变化。因此，采用相对低的频率就可能清楚观察到非常小的薄膜厚度的抛光状态。在本实施例中，使用一种基于电抗分量的变化引起的电阻分量的变化来测量薄膜厚度的方法。然而，依据被测量目标，可以使用基于振荡频率的变化来测量薄膜厚度的方法，或基于电抗分量和电阻分量的合成阻抗来测量薄膜厚度的方法。
图15A到图15C显示了具有在埃数量级范围内的厚度的薄导电层的厚度测量结果。在图15A到图15C的每一个图中，水平轴表示残留薄膜厚度，左垂直轴表示电阻分量(R)且右垂直轴表示电抗分量(X)。图15A显示钨(W)薄膜的数据。如图15A中所能看到的，即使当薄膜厚度被减少到1000或更少，薄膜厚度的变化通过观察电阻分量的变化能清楚地被检测。图15B显示氮化钛(TiN)薄膜的数据。如图15B中所能看到的，即使当薄膜厚度被减少到1000或更少，薄膜厚度的变化能清楚地被检测。图15C显示钛(Ti)薄膜的数据。如图15C中所能看到的，薄膜厚度的变化基于当薄膜厚度从500变化到0时所发生的电阻分量的大变化能清楚地被检测。
在图15A到图15C所示的每一个例子中，与电阻分量(R)的变化相比较，电抗分量(X)的变化非常小。当钽阻挡层的厚度从250变化到0时，电抗分量(X)的变化率是0.005％。与此不同，电阻分量(R)的变化率是1.8％。因而，可以说检测灵敏度比观察电抗分量变化的方法的检测灵敏度提高约360倍。
当测量具有相对低的电导率的阻挡层的厚度时，AC信号源203的振荡频率应该理想地增加到例如8到16MHz的范围。通过增加振荡频率，就可能清楚地观察厚度在0到250的阻挡层的厚度的变化。另一方面，当测量诸如铜等的具有相对高的电导率的金属薄膜的厚度时，薄膜厚度的变化能采用大约2MHz的低振荡频率清楚地被检测。在钨薄膜的情况下，大约8MHz的振荡频率是合适的。采用这种方式，最好根据被抛光薄膜的类型选择振荡频率、传感器放大的等级和传感器信号的补偿值。
涡流传感器202可以包括涡流传感器模块，该模块仅仅当半导体晶片靠近并面对镶入到抛光台100中的涡流传感器时施加某一电磁场到半导体晶片。这样的电磁场的例子包括逐行倒相色同步信号电磁场、施加正弦波的均衡调制电磁场、调幅电磁场或脉冲调制电磁场。作为另一选择，电磁场可以被连续施加到半导体晶片以测量薄膜厚度。在这种情况下，当半导体晶片不靠近且不面对涡流传感器时，从过去所获得的数据预测的薄膜厚度可以被补充，以便预测随时间变化的未来的薄膜厚度和终点时间，并比较预测抛光时间和实际抛光时间，以检测抛光过程失败或设备故障。当半导体晶片不靠近或不面对涡流传感器时、当半导体晶片不被抛光时或当抛光垫被修整时，涡流传感器的薄膜厚度测量功能可以被停止或涡流信号可以不被采样。
图16A显示了具有上述涡流传感器的基片抛光设备的主要结构的垂直横截面视图。图17显示了具有上述涡流传感器的基片抛光设备的平面图。如图16A中所示，抛光台100绕它自己的轴线如箭头所示可旋转。传感器线圈202被连接到包括AC信号源203和同步检波电路205(见图10A)的前置放大器。传感器线圈202和前置放大器被整体建造且被镶入到抛光台100中。传感器线圈202具有连接电缆，连接电缆延伸通过抛光台支撑轴321a和安装在抛光台支撑轴321a下端的旋转接头334。传感器线圈202通过连接电缆被连接到主放大器200a和薄膜厚度测量主单元(控制器)200b。
薄膜厚度测量主单元200b具有不同类型的滤波器，用于从传感器信号中去除噪声分量。这些滤波器具有它们各自的截止频率。例如，低通滤波器具有0.1到10Hz范围内的截止频率，用于去除当半导体晶片被抛光时混入到传感器信号中的噪声分量。采用这种低通滤波器，薄膜厚度能以高精度被测量。
图16B显示了涡流传感器的放大的横截面视图。涡流传感器202的抛光垫一侧的端部(上端)具有由诸如四氟乙烯等的氟基树脂制成的涂层元件202c，用于在抛光垫101被去除替换时防止涡流传感器200被从抛光台100去除。抛光台100包括由SiC制成的上抛光台100a和由不锈钢制成的下抛光台100b。涡流传感器202的上端的位置比上抛光台100a的上表面(面对抛光垫101的表面)的位置低从0到0.05mm范围内的距离，从而防止涡流传感器202在抛光过程中接触半导体晶片W。抛光台100的上表面和涡流传感器202的上端之间的位置差别应该尽可能地小。在实际设备中，位置差别通常被设定为大约0.02mm。涡流传感器202的位置被诸如薄垫片(薄板)202d或螺丝等的调节机构调节。
旋转接头334用于相互连接传感器线圈202和薄膜厚度测量主单元200b。旋转接头334能通过它的旋转部分传送信号，但对用于传送信号的信号线的数量有限制。因此，被连接到旋转接头334的信号线被限制为8个信号线，它们是DC电源线、输出信号线和用于各种类型控制信号的传送线。传感器线圈202具有在2MHz和8MHz之间可转换的振荡频率，且前置放大器的增益根据将被抛光薄膜的类型也可转换。
如图17所示，当抛光台100旋转时，安装在抛光台100的外周边的挡块被挡块传感器350检测。当薄膜厚度测量主单元200b接收来自挡块传感器350的检测信号时，薄膜厚度测量主单元200b开始测量被顶圈1保持的半导体晶片W。随着抛光台100被旋转，传感器线圈202轨迹为通过半导体晶片W的路径R。
如图18所示，当抛光台100旋转一圈时，薄膜厚度测量主单元200b接收来自挡块传感器350的信号。同时，由于半导体晶片没有到达传感器线圈202上方的位置，薄膜厚度测量主单元200b接收显示半导体晶片W不在位置的传感器信号。当传感器线圈202位于半导体晶片W下方时，薄膜厚度测量主单元200b接收其量级水平取决于产生在导电薄膜201′中的涡流的传感器信号。在半导体晶片W在传感器线圈202上通过之后，薄膜厚度测量主单元200b接收其量级水平显示没有涡流感应的传感器信号。
薄膜厚度测量主单元200b保持传感器线圈202被激活，用于在所有时间检测。然而，如果半导体晶片W上的导电薄膜201′的薄膜厚度被直接测量，当由于抛光过程薄膜厚度被改变时，传感器信号的量级水平被改变，从而引起测量时间变得不稳定。为了避免这一缺点，抛光液供给喷嘴102(见图2)供给水以执行作为参照晶片的标本晶片的水抛光，以便在开始测量半导体晶片W时获得信号的量值水平。例如，具有1000nm厚度的Cu层的参考晶片通过以60转每分钟旋转的抛光台100用水抛光120秒。具体是，在上和下量值水平之间的中间值被用作显示到达半导体晶片W的周边的量值水平(以后被称为到达确定水平)，上和下量值水平在接收来自挡块传感器350信号后获得且表示半导体晶片存在或不存在。因此，在接收来自挡块传感器350的信号之后量值水平超过到达确定水平，传感器信号在每一毫秒(msec.)被获取。当半导体晶片W离开传感器线圈202上方位置时，传感器信号的获取结束。所获得的传感器信号被转换成物理尺寸并分配到半导体晶片W的各个区域。
如图19A所示，如果在半导体晶片W上的路径R(见图17)被拉直，那么被薄膜厚度测量主单元200b所接收的传感器信号能由半导体晶片W的周边区域(C4)分配到中心区域(图4中的C1)。如图19B所示，是导电薄膜201′上的三个被划分区域的中心区域(C1)、中间区域(C2)和周边区域(C3、C4)的厚度能在抛光过程之前、中间或之后被测量。在各个区域的传感器信号被计算例如被平均。且所计算的值被用作各个区域的测量值。
半导体晶片W具有其上没有导电薄膜201′形成的最外周边区。因此，执行所谓的边缘切割过程以丢弃对应于最外周边区的传感器信号。在本实施例中，半导体晶片W被分成三个区域，且测量在5个区G1到G5被执行以便获得各个区G1到G5的测量值，如图19B所示。然而，半导体晶片W可以被分成四个其压力可调节的区域C1到C4，以便测量值被获得且在七个区分别被控制。半导体晶片W的被抛光表面可以被分成更多区域或更少区域。
如图20所示，所获得的传感器信号分别被分配到区G1到G5。具体是，被分配到每个区的传感器信号的数量基于每个区的宽度被计算，然后测量值(传感器信号)被分配到G1到G5各个区。例如，两个测量值被分配到对应于周边区域(C3、C4)的区G1，两个测量值被分配到对应于中间区域(C2)的区G2，一个测量值被分配到对应于中心区域(C1)的区G3，两个测量值被分配到对应于中间区域(C2)的区G4以及最后两个测量值被分配到对应于周边区域(C3、C4)的区G5。
每次线圈传感器202扫描过半导体晶片W时，薄膜厚度测量主单元200b基于在每个区G1到G5所获得的测量值来测量导电薄膜201′的厚度，并在包括在到薄膜厚度测量主单元200b中的显示装置上显示导电薄膜201′的区G1到G5的厚度。因此，如图20所示，补充数据(值)被产生且显示在显示装置上，而不显示当线圈传感器202位于半导体晶片W和区R1到G5之外的位置时所获得的不需要的测量值。为了不引起显示数据的大幅度变化，假定导电薄膜201′存在，补充数据(值)被显示。因此，使用测量值附近的预定的有效数，补充数据(值)从下面等式计算。
补充值＝[测量的最大值-测量的最小值]×系数(转换比％)-测量的最小值
薄膜厚度数据根据分批法被获得，在分批法中只有当抛光台100每次旋转一圈涡流传感器(传感器线圈202)和半导体晶片W彼此面对时薄膜厚度才被测量。根据将被测量的薄膜厚度变化而改变的来自涡流传感器的信号可以通过被供给来自挡块传感器350信号的外部同步A/D转换器同时添加在每10微秒到100微秒(例如，100微秒)连续测量的多个数据而产生。例如，每100微秒从挡块传感器350获得的十个连续的数据被添加并被平均，以使用所获得的数据作为每1毫秒的数据。通过添加和平均所测量的数据，包含在数据中的噪声能被减少。
图21显示了图16所示的抛光台100的另一实施例。如图21所示，传感器线圈202a到202f被设置在被顶圈1保持的半导体晶片W的中心Cw在抛光过程中经过的位置，也就是，在这个实施例中的六个位置。参考符号Ct表示抛光台100的旋转中心。当传感器线圈202a到202f扫过半导体晶片W的中心区域(见图4中C1)、中间区域(C2)、外部区域(C3)和周边区域(C4)时，传感器线圈202a到202f测量半导体晶片W上诸如Cu层的导电薄膜或阻挡层的厚度。采用这种方式，传感器线圈202a到202f能连续测量各个区域C1到C4的厚度，而不需要等抛光台旋转一圈。具体是，涡流传感器(薄膜厚度测量装置)200具有能测量对半导体晶片W的压力可调节的划分区域C1到C4的薄膜厚度的传感器线圈(测量装置)202a到202f。传感器线圈202a到202f的频率可以彼此不同，从而传感器线圈202a到202f使用高频检测阻挡层的厚度变化，并使用低频检测Cu层的薄膜厚度变化。
尽管在这个实施例中传感器线圈202a到202f被设置在六个位置，但传感器线圈的数目可改变。另外，虽然在这个实施例中抛光垫被安装在抛光台100上，但可以使用一个固定的研磨板。在这种情况下，传感器线圈被设置在固定的研磨板中。
具有上述结构的基片抛光设备被如下操作：半导体晶片W被保持在顶圈1的下表面，且通过顶圈气缸111压靠到安装在旋转的抛光台100的上表面上的抛光垫101上。抛光液Q从抛光液供给喷嘴102被供给到抛光垫101，并因此被抛光垫101保持。半导体晶片W被存在于半导体晶片W的表面(下表面)和抛光垫101之间的抛光液Q抛光。
当半导体晶片W被抛光时，抛光台100每旋转一圈时，传感器线圈202a到202f经过半导体晶片W的下表面。由于传感器线圈202a到202f被设置在半导体晶片W的中心Cw的路径上，传感器线圈202a到202f能连续测量薄膜的厚度。当传感器线圈202a到202f被安装在六个位置时，任何一个传感器线圈202a到202f能间歇地在短时期内检测抛光状态。
如图22A和22B所示，随着抛光过程的进行，被薄膜厚度测量主单元200b所处理的来自传感器线圈202a到202f的信号的测量值逐渐减少。具体是，随着导电薄膜的厚度减少，被薄膜厚度测量主单元200b所处理的测量值随时间逐渐减小。因此，如果当导电薄膜被从所需区域而不是互连部位去除时的时间点所获得的值被提前核对时，化学机械抛光过程的终点能通过监视从薄膜厚度测量主单元200b输出的测量值而被检测。
图23显示薄膜厚度和电阻分量之间的校准关系的例子。分别具有厚度1000(t₁)和200(t₂)的参考晶片被准备，且各个参考晶片的电阻分量被测量以便用作参考点。之后，实际的抛光过程被执行，且显示薄膜厚度和电阻分量之间关系的数据被获得，如图23中点划曲线所示。替代电阻分量，电抗分量、阻抗(振幅)或相位可以被测量。所获得的数据相对于参考点采用最小二乘法处理，且所处理的数据被绘图形成一个曲线。采用这种方式，涡流传感器的特性通过上面的过程被校准然后储存。因而，测量值能被合适地放大或偏移，以便薄膜厚度的变化能从测量值的变化精确地读出，而不会被涡流传感器的各个单元之间的差别影响。
具有多个这种涡流传感器的基片抛光设备能在短时期内检测半导体晶片整个表面上的终点。诸如Ta层、TaN层或TiN层等的阻挡层上的抛光过程的终点能以高精度被检测。即使在抛光过程的后期残留有导电薄膜的斑点(未去除的金属)，只要这个残留斑点具有不小于5mm的直径且在半导体晶片的被抛光表面与传感器线圈的上端之间缝隙不大于3.5mm，上述结构的涡流传感器能检测到这种残留斑点。在抛光过程中所检测的斑点因此能可靠地被抛光且被去除。即使导电材料的多层互连形成在半导体晶片上，只要互连具有不大于90％的密度，上述结构的涡流传感器能检测到表面层中的这些导电材料的互连。
当薄膜厚度被减少到预定值时抛光模式需要被转换到另一种的情况下，前置放大器或主放大器被初始设定到具有一个增益范围，使得薄膜厚度测量主单元200b能测量在埃数量级范围内的薄膜厚度，以准确地确认预定的薄膜厚度。例如，在抛光钨(W)层的情况下，当薄膜厚度达到大约300，如果抛光模式需要被转换，放大器被设定为超出额定界限(饱和范围)，其中只要钨层具有300或更大的厚度则薄膜厚度不能被测量。因此，当钨层被抛光到小于300的厚度，放大器的线性特性能被获得。
具体是，如图24A所示，当输入信号表示300的厚度或更大时，放大器的增益被设定成使其输出信号饱和。例如，当钨层的抛光如图24B中的点划线所示进行时，只要钨层具有如图中实线所示的300或更大的厚度，放大器的输出信号饱和且因此数值恒定。当薄膜厚度被减少到小于300时，放大器被线性地运行，且因此其输出信号如实线所示下降。如图24C所示，通过计算放大器输出信号的一阶微分，就可能清楚地检测薄膜厚度达到300的时间点。
依靠上面的测量值，基片抛光设备的操作模式(菜单)能被转换到用于抛光阻挡层的模式，因此能有一个高精度的抛光过程。涡流传感器的操作模式(菜单)也在振荡频率或放大倍数方面改变，从而可靠地确定具有非常小的厚度的阻挡层是否存在或不存在。因此，抛光过程的终点能被精确地确定。
如上所述，半导体晶片W的中心区域(见图4中C1)、中间区域(C2)、外部区域(C3)和周边区域(C4)被诸如微波传感器或涡流传感器的薄膜厚度测量装置200和200′测量。这些测量值被传送到基片抛光设备的控制器400(见图2)。控制器400控制调整器RE3到RE6，从而基于测量值独立地调整供给到顶圈1中的压力室22至25的加压流体的压力，从而在被压靠到抛光台100的抛光垫101上时优化分别施加到半导体晶片W的区域C1到C4的压力。
采用这种方式，为了优化分别施加到半导体晶片W的区域C1到C4的压力，薄膜厚度测量装置200和200′传送导电薄膜201的薄膜厚度的测量值到控制器400。另一方面，控制器400基于薄膜厚度的测量值产生被发送到薄膜厚度测量装置200和200′的命令信号。薄膜厚度测量装置200和200′根据来自控制器400的命令信号转换操作模式。具体是，薄膜厚度测量装置200和200′选择适合于将被测量的薄膜或多层薄膜类型的参数，且使用被选择参数处理传感器信号以测量薄膜厚度。
在本实施例中，半导体晶片上的薄膜被化学机械抛光去除。然而，蚀刻工艺、电解抛光工艺和超纯水电解抛光工艺也可以被采用。同样在这些工艺中，与化学机械抛光工艺一样，被去除的薄膜厚度可以被测量以控制工艺。薄膜厚度可在薄膜形成过程中而不是在薄膜去除过程中被测量以控制工艺。
涡流传感器的电磁场(其振荡频率从2MHz、8MHz、20MHz和160MHz选择)或具有频率范围从30GHz到300GHz的电磁波可以被施加到抛光垫上的废料浆或废料反应浆以产生退磁磁场或反射波，从而可以测量退磁磁场的振幅、反射波的振幅以及反射波的阻抗变化。所测量的阻抗可以与抛光过程执行之前所获得的参考阻抗相比较，或阻抗的时间微分的变化可以被观察到。通过这样的比较和观察，就可能检测终点和抛光过程的失败。采用涡流传感器或电磁波对废液或反应液的观察可以用于监视使用在由电镀设备、超纯水电解抛光设备、无电镀层设备和电解抛光设备执行的薄膜形成过程和薄膜去除过程中的诸如电解液或超纯水的处理液体。
根据本发明，基片被压靠到抛光台抛光表面上的压力能够在基片的各个区域根据各个区域的薄膜厚度被调整。从而基片的各个区域能以不同抛光速率被抛光，且因此基片上的薄膜厚度能被高精度地调整。通过使用涡流传感器或微波传感器作为用于测量基片上的薄膜厚度的装置，就不需要在抛光台的抛光表面上形成开口，且因此基片的各个区域的薄膜厚度能被很容易地测量，且基片能以高精度低成本被抛光。
虽然本发明的某些优选实施例被显示并详细描述，但应该理解可以做各种变更和修改而不脱离权利要求的范围。
工业应用
本发明适用在用于抛光诸如半导体晶片的基片到平面光洁度的基片抛光设备和基片抛光方法。