研磨装置および研磨方法
研磨装置は、研磨面（４０）を有する研磨テーブル（１８）と、基板上の複数の領域（Ｃ１−Ｃ４）に対する押圧力を独立に制御しつつ基板を研磨面（４０）に押圧するトップリング（２０）とを備える。研磨装置は、複数の基板の計測点の基板状態を監視するセンサ（５２）と、センサ（５２）からの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置（５３）と、それぞれの計測点におけるモニタ信号と基準信号とを比較し、計測点におけるモニタ信号が基準信号に収束するように、トップリング（２０）による押圧力を制御する制御部（５４）とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板処理方法に係り、特に半導体ウェハなどの基板を研磨して平坦化する研磨装置および研磨方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハなどの基板を研磨して平坦化する研磨装置には、キャリアヘッド内のチャンバの圧力を調整できるものがある。このような研磨装置は、基板上の膜厚に関連した物理量を測定し、この物理量に基づいて基板の膜厚プロファイルを算出する。そして、算出された膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの比較に基づいてキャリアヘッド内のチャンバの圧力が調整される。
【０００３】
しかしながら、従来の研磨装置においては、研磨中にキャリアヘッド内のチャンバの圧力を連続的に調整するといった実時間制御はなされていなかった。当然ながら、実時間で制御した方が、所望の厚さプロファイルにより近い研磨結果が期待される。従来の研磨装置の圧力調整方法において、実時間制御を適用しようとすると、In Situでウェハ表面の膜厚または膜厚にほぼ比例するデータを計測する必要が生じる。このため、ウェハ上の膜の種類や計測方法などにより適用分野が大きく限定される。
【０００４】
また、目標厚さプロファイルを時々刻々変化させるとすれば処理が煩雑となり、研磨後のプロファイルに固定するとすれば、特に初期膜厚の目標厚さプロファイルからの差が大きいときに操作量が過大あるいは不安定になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような従来技術に鑑みてなされたもので、基板の研磨プロファイル、研磨時間または研磨速度を精度よく制御することができる実用的な研磨装置および方法を提供することを第１の目的とする。
【０００６】
また、本発明は、基板上に形成される膜のプロファイル、処理時間または処理速度を精度よく制御することができる実用的な基板処理方法を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、研磨面を有する研磨テーブルと、基板上の少なくとも１つの領域に対する押圧力を制御しつつ上記基板を上記研磨面に押圧するトップリングとを備えた研磨装置が提供される。この研磨装置は、上記基板上の少なくとも１つの計測点における基板状態を監視するセンサと、上記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、上記モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す基準信号を格納した記憶装置とを備える。さらに、研磨装置は、上記計測点におけるモニタ信号と上記基準信号とを比較し、上記計測点におけるモニタ信号が上記基準信号に収束するように、上記トップリングによる押圧力を制御する制御部を備える。
【０００８】
上記トップリングは、基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御してもよい。上記センサは、上記基板上の複数の計測点における基板状態を監視してもよい。上記トップリングは、上記基板の複数の領域に対して独立して押圧力を与える複数の圧力室を備えるようにしてもよい。
【０００９】
上記制御部は、研磨開始時に上記複数の計測点におけるモニタ信号を平均化した値を求め、研磨開始時における基準信号が上記平均化した値と一致するように、上記基準信号を時間に関して平行移動することができるようにしてもよい。
【００１０】
また、上記制御部は、研磨工程の任意の時刻において上記複数の計測点におけるモニタ信号を平均化した値を求め、該時刻における基準信号が上記平均化した値と一致するように、該時刻以降の基準信号を時間に関して平行移動することができるようにしてもよい。
【００１１】
また、上記制御部は、研磨開始時における基準信号が該研磨開始時の上記基板上の所定の計測点におけるモニタ信号と一致するように、上記基準信号を時間に関して平行移動することができるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記制御部は、研磨工程の任意の時刻において基準信号が該時刻における上記基板上の所定の計測点におけるモニタ信号と一致するように、該時刻以降の基準信号を時間に関して平行移動することができるようにしてもよい。
【００１３】
上記制御部は、研磨時間が所望の時間となるように、研磨開始時に上記基準信号を時間に関して平行移動することができるようにしてもよい。
【００１４】
上記制御部は、研磨工程の任意の時刻において、上記モニタ信号の値と一致する上記基準信号上の時刻を求め、上記基準信号上の一致する時刻から上記基準信号が所定の値となる基準時刻までの時間を求めることができるようにしてもよい。
【００１５】
上記基準信号は、上記基板上に形成された膜の種類、積層構造、配線構造、研磨液の物性、上記研磨面の温度、上記基板の温度、上記研磨面を構成する研磨工具の厚さのうち少なくとも１つをパラメータとして設定された信号であってもよい。
【００１６】
また、上記基準信号として、現在研磨に使用されている研磨面による過去の研磨工程において得られたモニタ信号または交換前の他の研磨面による過去の研磨工程の初期に得られたモニタ信号を用いることができる。
【００１７】
上記制御部は、予測型制御を用いて上記トップリングによる押圧力を制御してもよい。この場合において、上記制御装置の制御周期は、１秒から１０秒であることが好ましい。
【００１８】
上記モニタ装置は、上記基板の外縁部の計測点におけるモニタ信号を制御の対象から除外するようにしてもよい。あるいは、上記モニタ装置は、上記基板の外縁部の計測点におけるモニタ信号に対して補正を行うようにしてもよい。
【００１９】
上記センサは、渦電流センサ、光学式センサ、およびマイクロ波センサの少なくとも１つであってもよい。また、上記センサにより、基板の表面の膜厚を測定することができればより好ましい。
【００２０】
また、研磨装置は、上記研磨テーブルと上記トップリングとの間に相対運動を生じさせる駆動部をさらに備え、上記センサは、上記研磨テーブルの内部に配置されていいてもよい。この場合において、上記駆動部は、上記研磨テーブルを回転運動させるモータであってもよい。
【００２１】
上記制御部は、研磨の途中で断続的に制御を休止してもよい。上記制御部は、研磨終点に到達する前に制御を終了し、制御終了時点の研磨条件を研磨終点まで保持してもよい。上記制御部は、一の基板の研磨の終了時点の研磨条件を別の基板の研磨に対する初期研磨条件として用いるようにしてもよい。上記制御部は、上記モニタ装置の信号に基づいて研磨終点を検出するようにしてもよい。
【００２２】
本発明の第２の態様によれば、研磨面を有する研磨テーブルと、基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御しつつ上記基板を上記研磨面に押圧するトップリングとを備えた研磨装置が提供される。この研磨装置は、上記基板上の複数の計測点における基板状態を監視するセンサと、上記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、上記モニタ信号に基づいて上記トップリングによる押圧力を制御する制御部とを備える。上記制御部は、上記複数の領域のうち少なくとも１つの領域に対する押圧力が所定の範囲を超えた場合に、上記複数の領域のすべてに対する押圧力が上記所定の範囲内に納まるように、上記複数の領域に対する押圧力または押圧力の変化量をスケーリングする。
【００２３】
本発明の第３の態様によれば、研磨面を有する研磨テーブルと、基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御しつつ上記基板を上記研磨面に押圧するトップリングとを備えた研磨装置が提供される。この研磨装置は、上記基板上の複数の計測点における基板状態を監視するセンサと、上記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、上記モニタ信号に極値が現れた時刻に基づいて上記トップリングによる押圧力を制御する制御部とを備えている。この場合において、上記基板の表面に形成された被研磨膜を非金属膜とすることができる。
【００２４】
本発明の第４の態様によれば、研磨面を有する研磨テーブルと、基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御しつつ上記基板を上記研磨面に押圧するトップリングとを備えた研磨装置が提供される。この研磨装置は、上記基板上の複数の計測点における基板状態を監視するセンサと、上記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、上記モニタ信号に基づいて上記トップリングによる押圧力を制御し、上記基板の研磨中に上記複数の領域に対する押圧力の感度を調整する制御部とを備えている。
【００２５】
本発明の第５の態様によれば、基板を研磨面に押圧して基板を研磨する研磨方法が提供される。この方法によれば、基板上の少なくとも１つの計測点における基板状態が監視され、上記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号が生成される。上記計測点におけるモニタ信号と、上記モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す基準信号とが比較され、上記計測点におけるモニタ信号が上記基準信号に収束するように、基板上の少なくとも１つの領域に対する押圧力が制御される。
【００２６】
本発明の第６の態様によれば、上記基板の表面に膜を形成する基板処理方法が提供される。この基板処理方法によれば、基板上の少なくとも１つの計測点における基板状態が監視され、上記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号が生成される。上記計測点におけるモニタ信号と、上記モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す基準信号とが比較され、上記計測点におけるモニタ信号が上記基準信号に収束するように、基板状態が制御される。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、基板の研磨プロファイル、研磨時間や研磨速度を精度よく制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の研磨装置の実施形態について図１から図３５を参照して詳細に説明する。なお、図１から図３５において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態における研磨装置を示す平面図である。図１に示すように、この研磨装置は、多数の半導体ウェハをストックするウェハカセット１を載置するロード／アンロードステージ２を４つ備えている。このロード／アンロードステージ２の列に沿って走行機構３が設けられており、この走行機構３の上には、２つのハンドを有する第１搬送ロボット４が配置されている。第１搬送ロボット４のハンドは、ロード／アンロードステージ２上の各ウェハカセット１にアクセス可能となっている。
【００３０】
第１搬送ロボット４の走行機構３に対してウェハカセット１と反対側には、２台の洗浄・乾燥機５，６が配置されている。第１搬送ロボット４のハンドは、洗浄・乾燥機５，６にもアクセス可能となっている。各洗浄・乾燥機５，６は、ウェハを高速回転させて乾燥させるスピンドライ機能を有している。また、２台の洗浄・乾燥機５，６の間には、４つの半導体ウェハの載置台７，８，９，１０を備えたウェハステーション１１が配置されており、第１搬送ロボット４のハンドがこのウェハステーション１１にアクセス可能となっている。
【００３１】
洗浄・乾燥機５と３つの載置台７，９，１０に到達可能な位置には、２つのハンドを有する第２搬送ロボット１２が配置されており、洗浄・乾燥機６と３つの載置台８，９，１０に到達可能な位置には、２つのハンドを有する第３搬送ロボット１３が配置されている。載置台７は第１搬送ロボット４と第２搬送ロボット１２との間で半導体ウェハを受渡すために使用され、載置台８は第１搬送ロボット４と第３搬送ロボット１３との間で半導体ウェハを受渡すために使用される。また、載置台９は第２搬送ロボット１２から第３搬送ロボット１３へ半導体ウェハを搬送するために使用され、載置台１０は第３搬送ロボット１３から第２搬送ロボット１２へ半導体ウェハを搬送するために使用される。載置台９は載置台１０の上に位置している。
【００３２】
洗浄・乾燥機５に隣接して、第２搬送ロボット１２のハンドがアクセス可能な位置には、研磨後のウェハを洗浄する洗浄機１４が配置されている。また、洗浄・乾燥機６に隣接して、第３搬送ロボット１３のハンドがアクセス可能な位置には、研磨後のウェハを洗浄する洗浄機１５が配置されている。
【００３３】
図１に示すように、研磨装置は、２つの研磨ユニット１６，１７を備えている。それぞれの研磨ユニット１６，１７は、２つの研磨テーブルと、ウェハを保持しかつウェハを研磨テーブルに対して押圧しながら研磨するための１つのトップリングとを備えている。すなわち、研磨ユニット１６は、第１の研磨テーブル１８と、第２の研磨テーブル１９と、トップリング２０と、第１の研磨テーブル１８に研磨液を供給するための研磨液供給ノズル２１と、第１の研磨テーブル１８のドレッシングを行うためのドレッサ２２と、第２の研磨テーブル１９のドレッシングを行うためのドレッサ２３とを備えている。また、研磨ユニット１７は、第１の研磨テーブル２４と、第２の研磨テーブル２５と、トップリング２６と、第１の研磨テーブル２４に研磨液を供給するための研磨液供給ノズル２７と、第１の研磨テーブル２４のドレッシングを行うためのドレッサ２８と、第２の研磨テーブル２５のドレッシングを行うためのドレッサ２９とを備えている。
【００３４】
研磨ユニット１６には、第２搬送ロボット１２のハンドがアクセス可能な位置に半導体ウェハを反転させる反転機３０が設置されており、この反転機３０には半導体ウェハが第２搬送ロボット１２によって搬送される。同様に、研磨ユニット１７には、第３搬送ロボット１３のハンドがアクセス可能な位置に半導体ウェハを反転させる反転機３１が設置されており、この反転機３１には半導体ウェハが第３搬送ロボット１３によって搬送される。
【００３５】
これらの反転機３０，３１とトップリング２０，２６の下方には、反転機３０，３１とトップリング２０，２６との間でウェハを搬送するロータリトランスポータ３２が配置されている。ロータリトランスポータ３２には、ウェハを載せるステージが４ヶ所等配に設けられており、複数のウェハを同時に搭載できるようになっている。反転機３０または３１に搬送されたウェハは、ロータリトランスポータ３２のステージの中心と、反転機３０または３１でチャックされたウェハの中心の位相が合ったときに、ロータリトランスポータ３２の下方に設置されたリフタ３３または３４が昇降することで、ロータリトランスポータ３２上に搬送される。
【００３６】
トップリング２０または２６に移送されたウェハは、トップリング２０または２６の真空吸着機構により吸着され、ウェハは吸着されたまま研磨テーブル１８または２４まで搬送される。そして、ウェハは研磨テーブル１８または２４上に取付けられた研磨パッドまたは砥石等からなる研磨面で研磨される。第２の研磨テーブル１９，２５は、それぞれトップリング２０または２６が到達可能な位置に配置されている。これにより、第１の研磨テーブル１８または２４でウェハを研磨した後に、このウェハを第２の研磨テーブル１９または２５でも研磨できる。研磨が終了したウェハは、上述と同じルートで反転機３０または３１まで戻される。
【００３７】
反転機３０または３１まで戻されたウェハは、第２搬送ロボット１２または第３搬送ロボット１３により洗浄機１４または１５に搬送され、ここで洗浄される。洗浄機１４または１５で洗浄されたウェハは、第２搬送ロボット１２または第３搬送ロボット１３により洗浄機５または６に搬送され、ここで洗浄され乾燥される。洗浄機５または６で洗浄されたウェハは、第２搬送ロボット１２または第３搬送ロボット１３により載置台７または８に載置され、第１搬送ロボット４によりロード／アンロードステージ２上のウェハカセット１に戻される。
【００３８】
次に、上述した研磨ユニットについてより詳細に説明する。研磨ユニット１６と研磨ユニット１７は同一の構成であるので、ここでは研磨ユニット１６についてのみ説明するが、以下の説明は研磨ユニット１７についても適用できる。
【００３９】
図２は、図１に示す研磨ユニット１６の一部を示す模式図である。図２に示すように、トップリング２０の下方に、上面に研磨パッド４０を貼付した研磨テーブル１８が設置されている。研磨テーブル１８の上方には研磨液供給ノズル２１が設置されており、この研磨液供給ノズル２１から研磨テーブル１８上の研磨パッド４０に研磨液Ｑが供給される。研磨テーブル１８は、研磨テーブル１８とトップリング２０との間に相対運動を生じさせる駆動機構としてのモータ（図示せず）に連結されており、回転可能に構成されている。
【００４０】
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、多孔質状になっており、その表面に多数の微細なへこみまたは孔を有している。
【００４１】
トップリング２０は、自在継手４１を介してトップリングシャフト４２に接続されており、トップリングシャフト４２はトップリングヘッド４３に固定されたトップリング用エアシリンダ４４に連結されている。トップリング２０は、略円盤状のトップリング本体６０と、トップリング本体６０の外周部に配置されたリテーナリング６１とを備えている。トップリング本体６０は、トップリングシャフト４２の下端に連結される。
【００４２】
トップリング用エアシリンダ４４はレギュレータＲＥ１を介して圧力調整部４５に接続されている。この圧力調整部４５は、圧縮空気源から加圧空気等の加圧流体を供給することによって、あるいはポンプ等により真空引きすることによって圧力の調整を行う。この圧力調整部４５によって、トップリング用エアシリンダ４４に供給される加圧空気の空気圧等をレギュレータＲＥ１を介して調整することができる。このトップリング用エアシリンダ４４によってトップリングシャフト４２は上下動し、トップリング２０の全体を昇降させると共にトップリング本体６０に取付けられたリテーナリング６１を所定の押圧力で研磨テーブル１８に向けて押圧する。
【００４３】
トップリングシャフト４２はキー（図示せず）を介して回転筒４６に連結されている。この回転筒４６はその外周部にタイミングプーリ４７を備えている。トップリングヘッド４３には、研磨テーブル１８とトップリング２０との間に相対運動を生じさせる駆動機構としてのトップリング用モータ４８が固定されており、タイミングプーリ４７は、タイミングベルト４９を介してトップリング用モータ４８に設けられたタイミングプーリ５０に接続されている。したがって、トップリング用モータ４８を回転駆動することによってタイミングプーリ５０、タイミングベルト４９、およびタイミングプーリ４７を介して回転筒４６およびトップリングシャフト４２が一体に回転し、トップリング２０が回転する。トップリングヘッド４３は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたトップリングヘッドシャフト５１によって支持されている。
【００４４】
図２に示すように、研磨テーブル１８の内部には、研磨される半導体ウェハの膜厚をはじめとする基板状態を監視（検知）するセンサ５２が埋設されている。このセンサ５２は、モニタ装置５３および制御部５４に接続されている。センサ５２の出力信号はモニタ装置５３に送られ、このモニタ装置５３で、センサ５２の出力信号に対して必要な変換・処理（演算処理）を施してモニタ信号が生成される。モニタ装置５３は、このモニタ信号に基づいて制御演算を行う制御部５３ａを有している。この制御部５３ａでは、モニタ信号に基づいてトップリング２０がウェハを押圧する力（押圧力）が決定され、この押圧力が制御部５４に送信される。上記センサ５２として、例えば渦電流センサが用いられる。モニタ装置５３の外部の制御部５４は、トップリング２０による押圧力を変更するように圧力調整部４５に指令を出す。ここで、これらのモニタ装置５３の制御部５３ａと制御部５４とを一体化して１つの制御部に構成してもよい。
【００４５】
図３は図２に示すトップリング２０の縦断面図、図４は図２に示すトップリング２０の底面図である。図３に示すように、トップリング２０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６０と、トップリング本体６０の下端に固定されたリテーナリング６１とを備えている。リテーナリング６１の下部は径方向内方に突出している。トップリング本体６０は金属やセラミックス等の強度およ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６１は、剛性の高い樹脂材またはセラミックス等から形成されている。リテーナリング６１をトップリング本体６０と一体的に形成してもよい。
【００４６】
トップリング本体６０の中央部の上方には、トップリングシャフト４２が配設されており、トップリング本体６０とトップリングシャフト４２とは自在継手４１により連結されている。この自在継手４１は、トップリング本体６０およびトップリングシャフト４２とを互いに傾動可能とする球面軸受機構と、トップリングシャフト４２の回転をトップリング本体６０に伝達する回転伝達機構とを備えている。これらの球面軸受機構および回転伝達機構は、トップリングシャフト４２とトップリング本体６０との互いの傾動を許容しつつ、トップリングシャフト４２の押圧力および回転力をトップリング本体６０に伝達する。
【００４７】
球面軸受機構は、トップリングシャフト４２の下面の中央に形成された半球面状凹部４２ａと、トップリング本体６０の上面の中央に形成された半球面状凹部６０ａと、凹部４２ａ，６０ａの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６２とを含んでいる。一方、回転伝達機構は、トップリングシャフト４２に固定された駆動ピン（図示せず）とトップリング本体６０に固定された被駆動ピン（図示せず）とを含んでいる。トップリング本体６０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シャフト４２の回転トルクをトップリング本体６０に確実に伝達する。
【００４８】
トップリング本体６０およびリテーナリング６１の内部に画成された空間内には、トップリング２０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６３と、環状のホルダーリング６４と、弾性パッド６３を支持する概略円盤状のチャッキングプレート６５とが収容されている。弾性パッド６３は、その径方向外周部がホルダーリング６４とチャッキングプレート６５との間に挟み込まれており、チャッキングプレート６５の下面を覆うように径方向内側に延びている。これにより、弾性パッド６３とチャッキングプレート６５との間には空間が形成されている。
【００４９】
なお、チャッキングプレート６５は金属材料から形成されていてもよいが、センサ５２として渦電流センサを用いて半導体ウェハＷ上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）、Ａｌ２Ｏ３（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。
【００５０】
ホルダーリング６４とトップリング本体６０との間には弾性膜からなる加圧シート６６が張設されている。トップリング本体６０、チャッキングプレート６５、ホルダーリング６４、および加圧シート６６によってトップリング本体６０の内部に圧力室７１が形成されている。図３に示すように、圧力室７１にはチューブ、コネクタ等からなる流体路８１が連通されており、圧力室７１は流体路８１上に配置されたレギュレータＲＥ２（図２参照）を介して圧力調整部４５に接続されている。加圧シート６６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および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００５１】
弾性パッド６３とチャッキングプレート６５との間に形成される空間の内部には、弾性パッド６３に当接するセンターバッグ９０およびリングチューブ９１が設けられている。本実施形態においては、図３および図４に示すように、センターバッグ９０はチャッキングプレート６５の下面の中心部に配置され、リングチューブ９１はこのセンターバッグ９０の周囲を取り囲むようにセンターバッグ９０の外側に配置されている。各弾性パッド６３、センターバッグ９０、およびリングチューブ９１は、加圧シート６６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および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００５２】
チャッキングプレート６５と弾性パッド６３との間に形成される空間は、センターバッグ９０およびリングチューブ９１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９０とリングチューブ９１の間には圧力室７２が、リングチューブ９１の径方向外側には圧力室７３がそれぞれ形成されている。
【００５３】
センターバッグ９０は、弾性パッド６３の上面に当接する弾性膜９０ａと、弾性膜９０ａを所定の位置に着脱可能に保持するセンターバッグホルダー９０ｂとを含んでいる。センターバッグ９０の内部には、弾性膜９０ａとセンターバッグホルダー９０ｂとによって中心部圧力室７４が形成されている。同様に、リングチューブ９１は、弾性パッド６３の上面に当接する弾性膜９１ａと、弾性膜９１ａを所定の位置に着脱可能に保持するリングチューブホルダー９１ｂとを含んでいる。リングチューブ９１の内部には、弾性膜９１ａとリングチューブホルダー９１ｂとによって中間部圧力室７５が形成されている。
【００５４】
圧力室７２，７３，７４，７５には、チューブ、コネクタ等からなる流体路８２，８３，８４，８５がそれぞれ連通されており、圧力室７２〜７５はそれぞれの流体路８２〜８５上に配置されたレギュレータＲＥ３〜ＲＥ６を介して圧力調整部４５に接続されている。流体路８１〜８５は、トップリングシャフト４２の上端部に設けられたロータリージョイント（図示せず）を介してそれぞれ各レギュレータＲＥ２〜ＲＥ６に接続されている。
【００５５】
チャッキングプレート６５の上方の圧力室７１および圧力室７２〜７５には、各圧力室に連通される流体路８１〜８５を介して加圧空気等の加圧流体が供給され、あるいは真空引きされる。図２に示すように、圧力室７１〜７５の流体路８１〜８５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７１〜７５の内部の圧力を各々独立に制御するまたは大気圧や真空にすることができる。このように、レギュレータＲＥ２〜ＲＥ６によって各圧力室７１〜７５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６３を介して半導体ウェハＷを研磨パッド４０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。場合によっては、これらの圧力室７１〜７５を真空源５５（図２参照）に接続してもよい。
【００５６】
この場合において、各圧力室７２〜２５に供給される流体の温度をそれぞれ制御してもよい。このようにすれば、半導体ウェハ等の基板の被研磨面の裏側から基板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により、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。
【００５７】
弾性パッド６３には、図４に示すように、複数の開口部９２が形成されている。センターバッグ９０とリングチューブ９１との間の開口部９２から露出するようにチャッキングプレート６５から下方に突出する内周部吸着部９３が設けられており、また、リングチューブ９１の径方向外側の開口部９２から露出するように外周部吸着部９４が設けられている。本実施形態においては、弾性パッド６３には８個の開口部９２が形成され、各開口部９２に吸着部９３，９４が露出している。
【００５８】
吸着部９３，９４には、流体路８６，８７にそれぞれ連通する連通孔９３ａ，９４ａがそれぞれ形成されている。図２に示すように、吸着部９３，９４は流体路８６，８７およびバルブＶ１，Ｖ２を介して真空ポンプ等の真空源５５に接続されている。吸着部９３，９４の連通孔９３ａ，９４ａが真空源５５に接続されると、連通孔９３ａ，９４ａの開口端に負圧が形成され、吸着部９３，９４の下端に半導体ウェハＷが吸着される。
【００５９】
図３に示すように、半導体ウェハＷの研磨中には、吸着部９３，９４は弾性パッド６３の下端面より上方に位置して、弾性パッド６３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、吸着部９３，９４の下端面は弾性パッド６３の下端面と略同一面になる。
【００６０】
弾性パッド６３の外周面とリテーナリング６１の内周面との間には、わずかな間隙Ｇがあるので、ホルダーリング６４、チャッキングプレート６５、およびチャッキングプレート６５に取付けられた弾性パッド６３は、トップリング本体６０およびリテーナリング６１に対して上下方向に移動可能で、トップリング本体６０およびリテーナリング６１に対してフローティングする構造となっている。ホルダーリング６４には、その下部の外周縁部から径方向外方に突出する突起６４ａが複数箇所に設けられており、この突起６４ａがリテーナリング６１の径方向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６４等の部材の下方への移動が所定の範囲に制限される。
【００６１】
トップリング本体６０の外周縁部には流体路８８が区画されており、この流体路８８を介して洗浄液（純水）が弾性パッド６３の外周面とリテーナリング６１の内周面との間の隙間Ｇに供給される。
【００６２】
このように構成されたトップリング２０において、半導体ウェハＷをトップリング２０に保持するときには、吸着部９３，９４の連通孔９３ａ，９４ａを、流体路８６，８７を介して真空源５５に接続する。これにより、連通孔９３ａ，９４ａの吸引作用により吸着部９３，９４の下端面に半導体ウェハＷが真空吸着される。半導体ウェハＷを吸着した状態でトップリング２０を移動させ、トップリング２０の全体を研磨面（研磨パッド４０）の上方に位置させる。半導体ウェハＷがトップリング２０から飛び出さないよう、半導体ウェハＷの外周縁はリテーナリング６１によって保持される。
【００６３】
半導体ウェハの研磨時には、吸着部９３，９４による半導体ウェハＷの吸着を解除し、トップリング２０の下面に半導体ウェハＷを保持させると共に、トップリング用エアシリンダ４４を作動させてトップリング２０の下端に固定されたリテーナリング６１を所定の押圧力で研磨テーブル１８の研磨パッド４０に押圧する。この状態で、圧力室７２〜７５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１８の研磨面に押圧する。研磨液供給ノズル２１から研磨液Ｑを研磨パッド４０に供給することにより、研磨パッド４０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４０との間に研磨液Ｑが存在した状態で半導体ウェハが研磨される。
【００６４】
半導体ウェハＷの圧力室７２，７３の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室７２，７３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の中心部圧力室７４の下方に位置する部分は、センターバッグ９０の弾性膜９０ａおよび弾性パッド６３を介して、圧力室７４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の圧力室７５の下方に位置する部分は、リングチューブ９１の弾性膜９１ａおよび弾性パッド６３を介して、圧力室７５に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。
【００６５】
したがって、半導体ウェハＷに加わる研磨圧力（押圧力）は、各圧力室７２〜７５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。すなわち、制御部５４（図２参照）がレギュレータＲＥ３〜ＲＥ６によって各圧力室７２〜７５に供給する加圧流体の圧力を、センサ５２の出力に基づいてそれぞれ独立に調整し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１８上の研磨パッド４０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１８の上面の研磨パッド４０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４４に供給される加圧流体の圧力を調整し、リテーナリング６１が研磨パッド４０を押圧する押圧力を変更することができる。
【００６６】
このように、半導体ウェハＷの研磨中に、リテーナリング６１が研磨パッド４０を押圧する押圧力と半導体ウェハＷを研磨パッド４０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）、さらには半導体ウェハＷの外側にあるリテーナリング６１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。
【００６７】
半導体ウェハＷの圧力室７２，７３の下方に位置する部分には、弾性パッド６３を介して流体から押圧力が加えられる部分と、開口部９２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。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６３は開口部９２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７２，７３の内部の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。
【００６８】
半導体ウェハＷの研磨が終了した際は、上述と同様に、半導体ウェハＷを吸着部９３，９４の下端面に再び真空吸着する。このとき、半導体ウェハＷを研磨面に対して押圧する各圧力室７２〜７５への加圧流体の供給を止め、各圧力室７２〜７５を大気圧に開放することにより、吸着部９３，９４の下端面を半導体ウェハＷに当接させる。また、圧力室７１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７１の圧力を高いままにしておくと、半導体ウェハＷの吸着部９３，９４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。したがって、圧力室７１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７１からトップリング本体６０を貫くようにリリーフポート６７を設けて、圧力室７１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７１に圧力をかける際には流体路８１から常に圧力流体を供給し続ける必要がある。リリーフポート６７は逆止弁を備えており、圧力室７１内を負圧にする際には外気が圧力室７１に入らないようにしている。
【００６９】
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２０の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、吸着部９３，９４の連通孔９３ａ，９４ａ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をトップリング２０からリリースする。
【００７０】
図５は、図２に示す研磨ユニット１６における研磨テーブル１８と半導体ウェハＷとの関係を示す平面図である。図５に示すように、センサ５２は、トップリング２０に保持された研磨中の半導体ウェハ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１８の回転中心である。例えば、センサ５２は、半導体ウェハＷの下方を通過している間、通過軌跡（走査線）上で連続的に半導体ウェハＷのＣｕ層等の導電性膜の膜厚あるいは膜厚の変化に応じて増加又は減少する量を検出する。
【００７１】
図６は、センサ５２が半導体ウェハＷ上を走査する軌跡を示す。すなわち、センサ５２は、研磨テーブル１８が１回転するごとにウェハの表面（被研磨面）を走査するが、研磨テーブル１８が回転すると、センサは概ねウェハＷの中心Ｃｗ（トップリングシャフト４２の中心）を通る軌跡を描いてウェハＷの表面上を走査することになる。トップリング２０の回転速度と研磨テーブル１８の回転速度とは通常異なっているため、ウェハＷの表面におけるセンサ５２の軌跡は、図６に示すように、研磨テーブル１８の回転に伴って走査線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，・・・と変化する。しかしながら、上述したように、センサ５２は、ウェハＷの中心Ｃｗを通る位置に配置されているので、センサ５２が描く軌跡は、毎回ウェハＷの中心Ｃｗを通過するようになっている。そして、本実施形態では、センサ５２による計測のタイミングを調整して、センサ５２によってウェハＷの中心Ｃｗを毎回必ず計測するようにしている。
【００７２】
また、ウェハＷの研磨後の表面のプロファイルは、ウェハＷの中心Ｃｗを通り表面に垂直な軸に関してお概ね軸対称になることが知られている。したがって、図６に示すように、ｍ番目の走査線ＳＬｍ上のｎ番目の計測点をＭＰｍ−ｎと表すとき、各走査線におけるｎ番目の計測点ＭＰ１−ｎ，ＭＰ２−ｎ，・・・，ＭＰｍ−ｎに対するモニタ信号を追跡することにより、ｎ番目の計測点の半径位置におけるウェハＷの膜厚の推移をモニタリングすることができる。
【００７３】
図６においては、簡略化のため、１回の走査における計測点の数を１５としている。しかしながら、計測点の個数はこれに限られるものではなく、計測の周期および研磨テーブル１８の回転速度に応じて種々の値にすることができる。センサ５２として渦電流センサを用いる場合には、通常、１つの走査線上に１００個以上の計測点がある。計測点を多くすると、いずれかの計測点がウェハＷの中心Ｃｗに概ね一致するので、上述したウェハＷの中心Ｃｗに対するタイミングの調整を行わなくてもよい。
【００７４】
図７は、図６に示す半導体ウェハＷ上の計測点のうちモニタ装置５３によりモニタリングを行う計測点を選択する一例を示す平面図である。図７に示す例では、モニタ装置５３は、図４を参照して説明したように、押圧力が独立して制御される各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の中心近傍と境界線近傍に対応する位置の計測点ＭＰｍ−１，ＭＰｍ−２，ＭＰｍ−３，ＭＰｍ−４，ＭＰｍ−５，ＭＰｍ−６，ＭＰｍ−８，ＭＰｍ−１０，ＭＰｍ−１１，ＭＰｍ−１２，ＭＰｍ−１３，ＭＰｍ−１４，ＭＰｍ−１５のモニタリングを行っている。図６に示した例とは異なり、計測点ＭＰｍ−ｉとＭＰｍ−（ｉ＋１）との間に別の計測点があってもよい。モニタリングする計測点の選択は、図７に示す例に限られず、ウェハＷの被研磨面上において制御上着目すべき点をモニタリングすべき計測点として任意に選択することができる。
【００７５】
モニタ装置５３では、センサ５２から出力された、選択した計測点の出力信号（センシング信号）に所定の演算処理を行い、モニタ信号として制御部５３ａ（図２参照）に提供する。制御部５３ａでは、提供されたモニタ信号と後述する基準信号とに基づいて、ウェハＷの各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に対応する、トップリング２０内の圧力室７４，７２，７５，７３の圧力設定値をそれぞれ決定し、これを制御部５４（図２参照）に送信する。このようにして、ウェハＷの各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に対する押圧力が調整される。
【００７６】
ノイズの影響を排除してデータを平滑化するために、近傍の計測点についてのモニタ信号を平均化したものを使用してもよい。あるいは、ウェハＷの表面を中心ＣＷからの半径に応じて同心円状に複数の領域に分割し、各領域内の計測点に対するモニタ信号の平均値または代表値を求めて、この平均値または代表値を制御用の新たなモニタ信号として用いてもよい。このようにすれば、センサが研磨テーブル１８の半径方向に複数個並んで配置された場合や、研磨中にトップリング２０がトップリングヘッドシャフト５１を中心として揺動する場合にも効果的である。
【００７７】
図８は、ウェハＷの各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４それぞれに対する押圧力を一定にしてウェハＷ上の金属膜を研磨したときのモニタ信号の変化を示すグラフである。図８は、計測点ＭＰｍ−１，ＭＰｍ−１５（ウェハ端部）に対応するモニタ信号ＭＳＡ、計測点ＭＰｍ−５，ＭＰｍ−１１（ウェハ中間部）に対応するモニタ信号ＭＳＢ、および帯計測点ＭＰｍ−８（ウェハ中心）に対応するモニタ信号ＭＳＣを示す。
【００７８】
図８に示す例では、各モニタ信号は、研磨の初期段階においては緩やかに減少し、やがて減少の勾配が大きくなって、研磨終点（金属膜の除去）に達した時点でほぼ一定になっている。ウェハＷの各部位で初期膜厚が異なるものとすれば、各部位の研磨レートが等しいとしても、図８に示すように、モニタ信号値および研磨終点に達するタイミングが計測点によって異なる。本実施形態においては、モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す所定の基準信号を用意し、モニタ信号がこの基準信号に収束するように制御を行う。
【００７９】
図９は、前述の制御方法を用いてウェハＷの研磨を行ったときのモニタ信号の変化を示すグラフである。研磨中は、各部位のモニタ信号ＭＳＡ，ＭＳＢ，ＭＳＣ、及び図示しない他の部位のモニタ信号が基準信号ＲＳに収束するようにウェハＷの各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４への押圧力を調整する。これにより、各部位のモニタ信号ＭＳＡ，ＭＳＢ，ＭＳＣ等は概ね同一の変化曲線に収束し、研磨終点もすべての部位で一致する。したがって、研磨パッド４０などの装置の状態にかかわらず、ウェハＷの半径方向に関して膜厚の均一性(以下、面内均一性という)のよい研磨を実現することができる。
【００８０】
研磨速度は、研磨する膜の物性、研磨液（スラリ）の種類、研磨パッド４０の厚さ、研磨パッド４０またはウェハＷの温度、研磨する膜の積層構造や配線構造などによって異なる。このため、上記基準信号もこれらの条件によって異なる。制御部５４またはモニタ装置５３には、研磨する膜の物性、研磨液（スラリ）の種類、研磨パッド４０の厚さ、研磨パッド４０またはウェハＷの温度、研磨する膜の積層構造や配線構造などに対応した基準信号のデータベースが構築されており、作業者がこれから研磨しようとするウェハに適合する条件を入力することにより、最適な基準信号が読み出される。あるいは、ウェハＷの仕様が同一であれば、研磨テーブル１８やトップリング２０の回転速度、研磨液や研磨パッド４０の種類などの研磨条件も通常固定されるから、同一仕様のサンプルウェハを研磨して基準信号を取得することとしてもよい。
【００８１】
図１０は、このような基準信号を決定する方法の一例を示すフローチャートである。図１０に示す例では、基準信号の決定は、ウェハＷの研磨工程が始まる前に行われる。まず、装置の初期セットアップとして、トップリング２０、ドレッサ２２、研磨パッド４０、研磨液等を所望の仕様のものに設定し、センサ５２による計測のタイミングを上述のように調整する（ステップ１）。
【００８２】
次に、経験等に基づいて、対象となるウェハＷの仕様に対する研磨条件を定めた仮レシピを作成する（ステップ２）。この仮レシピにおいては、研磨テーブル１８やトップリング２０の回転速度はもちろん、各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４それぞれに対する押圧力やリテーナリング６１の圧力も一定にする。この仮レシピに基づいてウェハＷを研磨して、図８に示すようなモニタ信号を取得する（ステップ３）。
【００８３】
ウェハＷの研磨レートまたは研磨時間が適正なものであるかが判断され（ステップ４）、研磨レートまたは研磨時間が目標値に対して大きく離れている場合には、仮レシピを修正して再度研磨を繰り返す。ウェハＷの研磨が目標時間で行なわれるようになると、モニタ信号が再現性やノイズ等の点から適正なものであるかが判断され（ステップ５）、適正なものであれば、適当な部位の信号を抽出して基準信号を作成し、この基準信号をハードディスクなどの記憶装置（図示せず）に記録する（ステップ６）。モニタ信号に問題があれば、原因を排除した上で、研磨から再試行する。
【００８４】
このとき、センサ５２の出力信号は、基板上の被研磨膜の厚みが同一であれば、センサ５２とウェハＷとの距離によらずお概ね一定のものであることが望ましい。あるいは、上記モニタ信号が、センサ５２とウェハＷとの距離によらずお概ね一定であるように、センサ５２の出力信号からモニタ信号を求めるための演算処理を定められることが望ましい。しかしながら、センサ５２の出力信号、及び、モニタ信号が、センサ５２とウェハＷとの間の距離、換言すれば研磨パッド４０の摩耗に依存して変化し、その影響を無視することができない場合には、次のようにして基準信号を設定してもよい。研磨パッドを交換した直後あるいは間もない時期である場合、過去に同一仕様の研磨パッドに交換した直後あるいは間もない時期に同一仕様のウェハを研磨したときのウェハ上の適当な部位のモニタ信号を基準信号として設定する。研磨パッドを交換した後、一定枚数のウェハを研磨した場合には、現在使用している研磨パッドにおいて直前あるいは少し前のウェハを研磨したときのウェハ上の適当な部位のモニタ信号を基準信号として設定する。
【００８５】
基準信号とするモニタ信号を取得するウェハ上の部位は、該部位に加えられる押圧力の変化の少ない方が、制御時に無駄な操作量を抑えることができるので好ましい。
【００８６】
図１１は、各計測点におけるセンサの有効計測範囲を示す平面図である。例えば、渦電流センサの場合、センサ内のコイルの大きさ、有効範囲広がり角、センサ５２からウェハＷまでの距離に応じてウェハ上の有効計測範囲が決まり、各計測点において図１１の小円１００に示す範囲の情報を取得することとなる。したがって、ウェハＷの外縁端部の近傍を計測しようとすると、センサの有効計測範囲の一部がウェハＷの被研磨面からはみ出してしまう（図１１の計測点ＭＰｍ−１，ＭＰｍ−１５参照）。例えば、図１２に示すように、ウェハ端部の計測点ＭＰｍ−１，ＭＰｍ−１５に対応するモニタ信号ＭＳＡ１が、他の部位のモニタ信号ＭＳＢ，ＭＳＣよりも小さくなると、被研磨膜の膜厚を過少評価してしまう。後述する他の方式のセンサに関しても、条件によっては同様のことが起こり得る。
【００８７】
このような場合には、正確なモニタ信号を取得できない部分の計測点を除外して制御を行う。図１１に示す例では、ウェハＷの端部の計測点ＭＰｍ−１，ＭＰｍ−１５を除外して制御を行う。すなわち、これらの計測点におけるモニタ信号を制御の対象から除外する。これにより、ウェハＷの外縁端部における膜厚の均一性は保証されないこととなるが、ウェハＷの他の領域における膜厚の均一性を向上させることができる。
【００８８】
あるいは、このような場合において、以下の式（１）によってウェハ端部のモニタ信号を補正することもできる。
ｙ（ｒ，ｙｒａｗ）＝ｃ（ｒ，ｙｒａｗ）・（ｙｒａｗ−ｙ０）＋ｙ０ …（１）
上記式（１）において、ｙ（ｒ，ｙｒａｗ）は補正後のモニタ信号値、ｒは計測点のウェハ中心ＣＷからの距離、ｙｒａｗは補正前のモニタ信号値、ｃ（ｒ，ｙｒａｗ）は補正係数、ｙ０は膜厚が０のときのモニタ信号値である。補正係数ｃ（ｒ，ｙｒａｗ）は、実験的に求められた、半径ｒ、変換前のモニタ信号ｙｒａｗの代表値に対する補正係数を基に補間により決定される。これにより、図１２のＭＳＡ２に示すようにモニタ信号が補正され、ウェハ端部において正確なモニタ信号が取得できない場合においても、ウェハ端部を含めて面内均一性を向上させることができる。
【００８９】
上述した構成のセンサに加えて、例えば研磨布のウェハ摺動直後の部位の温度を非接触式の温度計で測定するなどしてウェハ近傍の温度を求め、温度による研磨レートの変化を考慮してもよい。
【００９０】
図１３は、基準信号の適用方法の例を示すグラフである。図１３においては、研磨開始時点または制御開始時点に、研磨終点までの研磨時間が所望の値になるように、基準信号ＲＳ１を時間軸に沿って平行移動して新たな基準信号ＲＳ２を設定している。研磨開始時点または制御開始時点において、基準信号ＲＳ１の研磨終点までの研磨時間が所望の値であれば、基準信号ＲＳ１の平行移動量を０としてもよい。
【００９１】
その後、時間軸に関して基準信号ＲＳ２を固定し、モニタ信号ＭＳＡ，ＭＳＢ，ＭＳＣ及び図示しないその他の部位のモニタ信号がこの基準信号ＲＳ２に収束するように制御を行う。このようにすれば、初期の膜厚プロファイルにかかわらず面内均一性を向上させることができるだけでなく、ウェハ間で初期膜厚にばらつきがあっても、あるいは研磨パッド等の装置の状態に変化があっても、研磨終点までの時間が所定の値になることが期待できる。このように、研磨時間を一定にできれば、研磨装置内でウェハを予想可能な概ね一定の周期で搬送することが可能になる。したがって、研磨時間の長いウェハに左右されて搬送が遅れてしまうようなことがなく、スループットが向上する。
【００９２】
図１４は、基準信号の適用方法のさらに他の例を示すグラフである。図１４においては、各部位のモニタ信号値を平均化した値ａｖが基準信号と一致するように、基準信号ＲＳ３を時間軸に沿って平行移動して新たな基準信号ＲＳ４を設定する。モニタ信号値の平均化の方法は、ウェハの研磨の進捗状況を代表するような値を得るものであればどのような方法であってもよく、例えば、算術平均または加重平均を算出する方法、中央値を取る方法、あるいはモニタ信号値に何らかの変換を施した後に平均化するような方法であってもよい。
【００９３】
その後、時間軸に関して基準信号ＲＳ４を固定し、モニタ信号ＭＳＡ，ＭＳＢ，ＭＳＣ及び図示しないその他の部位のモニタ信号がこの基準信号ＲＳ４に収束するように制御を行う。このようにすれば、図１３に示した例と異なり、ウェハＷの各領域Ｃ１〜Ｃ４に対する押圧力等の操作量を極端に変化させる必要がなく、安定した研磨を行うことが期待できる。また、研磨開始後または制御開始後の研磨時間が、基準信号取得時に同一膜厚から研磨した場合の研磨時間と等しくなることが期待され、初期の膜厚プロファイルにかかわらず面内均一性を向上させることができるだけでなく、研磨パッド等の装置の状態にかかわらず平均的な研磨レートを実現することができる。
【００９４】
図１５は、基準信号の適用方法のさらに他の例を示すグラフである。図１５においては、所定の周期で、各部位のモニタ信号を平均化した値が基準信号と一致するように、基準信号ＲＳ５を時間軸に沿って平行移動する。例えば、モニタ信号を平均化した値ａｖ１，ａｖ２，ａｖ３に一致するように、基準信号ＲＳ５をそれぞれ平行移動し、新たな基準信号ＲＳ６，ＲＳ７，ＲＳ８をそれぞれ設定する。そして、この時々刻々平行移動して設定される基準信号に収束するように、ウェハの各領域Ｃ１〜Ｃ４に対する押圧力等を制御する。このようにすると、初期のウェハの各領域Ｃ１〜Ｃ４の押圧力が概ね妥当な範囲にある場合、ある時点においてある領域の押圧力が増加方向になれば、別の領域の押圧力は減少方向になる。したがって、本実施形態には、研磨時間や研磨レートを調整する機能はないが、操作量の変化を小さくして安定した研磨を行うことができる。さらに、初期の膜厚プロファイルにかかわらず優れた面内均一性を達成することができる。
【００９５】
図１４および図１５では、研磨開始時または所定の周期において、モニタ信号を平均化した値に基準信号が一致するように平行移動している。しかし、モニタ信号を平均化した値以外の値を基準として基準信号を平行移動してもよい。例えば、ウェハの所定の部位のモニタ信号を基準として基準信号を平行移動してもよい。すなわち、研磨開始時において、基準信号が研磨開始時の所定の部位のモニタ信号に一致するように基準信号を平行移動してもよく、研磨工程中においても、基準信号がその時刻における所定の部位のモニタ信号に一致するように基準信号を平行移動してもよい。
【００９６】
上述の例では、モニタ信号がウェハの被研磨面の膜厚を直接表していない。モニタ信号としてウェハの被研磨面の膜厚を表すものを使用できることは言うまでもない。この場合のモニタ信号の時間変化は図１６に示すようになる。この場合、ウェハの各部位のモニタ信号ＭＳＡ，ＭＳＢ，ＭＳＣ及び図示しないその他の部位のモニタ信号は、その部位における膜厚に比例し、図１６に示すように、通常、モニタ信号値ＭＳＡ，ＭＳＢ，ＭＳＣ等および基準信号ＲＳ９が研磨時間に応じて概略直線的に減少することになる。したがって、現在の信号値と時間変化の傾き（微分）に基づいて、所定時間経過後の予測値を計算することができるなどの利点があり、線形計算に基づいて、容易に良好な制御性能を期待することができる。
【００９７】
図１７は、基準信号ＲＳ１０と直線Ｌとに基づいて、ウェハ上のある部位のモニタ信号ＭＳ１を新たなモニタ信号ＭＳ２に変換する方法を示したグラフである。ここで、直線Ｌは、基準信号ＲＳ１０の研磨終点を通る傾き−１の直線である。例えば、図１７に示すように、時刻ｔ１におけるモニタ信号ＭＳ１の値ｖ１が与えられたとき、基準信号ＲＳ１０上で同一の値を有する点Ｐを求める。そして、この点Ｐの時刻から基準信号ＲＳ１０の研磨終点までの残り時間Ｔを求める。この残り時間Ｔは、図１７からわかるように、上記直線Ｌを参照することにより求められる。求められた時間Ｔを基に新たなモニタ信号ＭＳ２の時刻ｔ１における信号値ｖ２を設定する。例えば、ｖ２＝Ｔとなうように信号値ｖ２を設定する。あるいは、信号値ｖ２を基準信号における研磨開始から研磨終点迄の時間ＴＯで正規化してｖ２＝Ｔ／ＴＯとしてもよく、このとき直線Ｌは、時刻０で値１を取り、傾きが−１／ＴＯの直線となる。
【００９８】
基準信号ＲＳ１０に関しても同様の考え方を適用することにすれば、上述した直線Ｌが変換後の新たな基準信号であると見なせる。この新たな基準信号（直線Ｌ）は、基準信号ＲＳ１０上の各点から研磨終点までの残り時間を表すものであるから、時間に関して線形の単調減少関数になり、制御演算が容易になる。
【００９９】
また、このようにすれば、多くの場合、変換後の新たなモニタ信号ＭＳ２が概ねウェハの被研磨面の膜厚に比例して直線的に変化する。したがって、研磨液やウェハの被研磨面上の配線パターン、下層の影響などにより、被研磨面の膜厚値が計測できない場合においても、線形演算で良好な制御性能を得ることが可能になる。図１７に示す例では、基準信号ＲＳ１０における研磨終点を基準時刻として使用している。しかし、基準信号ＲＳ１０における基準時刻は研磨終点に限られるものではない。例えば、基準信号ＲＳ１０が所定の値を取る時刻など、任意に基準時刻を定めることができる。モニタ信号値が研磨時間とともに変化しない区間においては、変換後の新たなモニタ信号の値は不定になる。
【０１００】
上述した例では、センサ５２が渦電流センサである場合を中心に説明したが、センサ５２はウェハの状態を検知することができるものであれば、どのようなものであってもよい。例えば、光学式センサやマイクロ波センサ、その他の動作原理に基づくセンサなどをセンサ５２として用いることができる。
【０１０１】
図１８は、光学式センサを備えた研磨ユニットを示す模式図である。図１８に示すように、この研磨ユニットにおいては、半導体ウェハＷの被研磨面に形成された絶縁膜や金属膜の膜厚や色合いなどの特性値を研磨中に測定し、研磨状態を監視するセンサユニット１５２が内部に埋設されている。このセンサユニット１５２は、研磨中のウェハＷの表面の研磨状況（残っている膜の厚みや状態など)をリアルタイムで連続的に監視する。
【０１０２】
研磨パッド４０には、センサユニット１５２からの光を透過させるための透光部１６０が取付けられている。この透光部１６０は、例えば、無発泡ポリウレタンなどの透過率の高い材質で形成されている。あるいは、研磨パッド４０に貫通孔を設け、この貫通孔が半導体ウェハＷに塞がれる間下方から透明液を流すことにより、透光部１６０を構成してもよい。透光部１６０は、トップリング２０に保持された半導体ウェハＷの方面を通過する位置であれば、研磨テーブル１８の任意の位置に配置することができるが、上述したように、半導体ウェハＷの中心を通過する位置に配置することが好ましい。
【０１０３】
センサユニット１５２は、図１８に示すように、光源１６１と、光源１６１からの光を半導体ウェハＷの被研磨面に照射する発光部としての発光光ファイバ１６２と、被研磨面からの反射光を受光する受光部としての受光光ファイバ１６３と、受光光ファイバ１６３により受光された光を分光する分光器とこの分光器により分光された光を電気的情報として蓄積する複数の受光素子とを内部に有する分光器ユニット１６４と、光源１６１の点灯および消灯や分光器ユニット１６４内の受光素子の読取開始のタイミングなどの制御を行う制御部１６５と、制御部１６５に電力を供給する電源１６６とを備えている。光源１６１および分光器ユニット１６４には、制御部１６５を介して電力が供給される。
【０１０４】
発光光ファイバ１６２の発光端と受光光ファイバ１６３の受光端は、半導体ウェハＷの被研磨面に対して略垂直になるように構成されている。また、発光光ファイバ１６２および受光光ファイバ１６３は、研磨パッド４０を交換するときの作業性や受光光ファイバ１６３による受光量を考慮して、研磨テーブル１８の表面の研磨面よりも上方に突出しないように配置されている。分光器ユニット１６４内の受光素子としては、例えば１２８素子のフォトダイオードアレイを用いることができる。
【０１０５】
分光器ユニット１６４は、ケーブル１６７を介して制御部１６５に接続されている。分光器ユニット１６４内の受光素子からの情報は、ケーブル１６７を介して制御部１６５に送られ、この情報に基づいて反射光のスペクトルデータが生成される。すなわち、本実施形態における制御部１６５は、受光素子に蓄積された電気的情報を読み取って反射光のスペクトルデータを生成するスペクトルデータ生成部を構成している。制御部１６５からのケーブル１６８は、研磨テーブル１８内を通り、上述したモニタ装置に接続されている。このようにして、制御部１６５のスペクトルデータ生成部で生成されたスペクトルデータは、ケーブル１６８を介してモニタ装置５３（図２参照）に送信される。
【０１０６】
モニタ装置５３では、制御部１６５から受信したスペクトルデータに基づいて、膜厚や色合いなどのウェハＷの表面の特性値を算出して、これをモニタ信号として上述した制御部５３ａ（図２参照）に提供する。
【０１０７】
図１８に示すように、研磨テーブル１８の外周部の下面には近接センサ１７０が取付けられており、この近接センサ１７０に対応して研磨テーブル１８の外方にセンサターゲット１７１が設置されている。近接センサ１７０は、研磨テーブル１８が１回転するたびにセンサターゲット１７１を検知し、研磨テーブル１８の回転角度を検知する。
【０１０８】
図１９は、マイクロ波センサを備えた研磨ユニットを示す模式図である。図１９に示すように、この研磨ユニットにおいては、研磨テーブル１８の内部に、マイクロ波を半導体ウェハＷの被研磨面に向けて照射するアンテナ２５２が埋設されている。このアンテナ２５２は、トップリング２０に保持された半導体ウェハＷの中心位置に対向するように配置されており、導波管２５３を介してセンサ本体２５４に接続されている。導波管２５３は短い方が好ましく、アンテナ２５２とセンサ本体２５４とを一体的に構成してもよい。
【０１０９】
図２０は、図１９に示すアンテナ２５２およびセンサ本体２５４を示す模式図である。センサ本体２５４は、マイクロ波を生成してアンテナ２５２にマイクロ波を供給するマイクロ波源２５５と、マイクロ波源２５５により生成されたマイクロ波（入射波）と半導体ウェハＷの表面から反射したマイクロ波（反射波）とを分離させる分離器２５６と、分離器２５６により分離された反射波を受信して反射波の振幅および位相を検出する検出部２５７と、検出部２５７により検出された反射波の振幅および位相に基づいて半導体ウェハＷの構造を解析するモニタ装置２５８とを備えている。分離器２５６としては、方向性結合器が好適に用いられる。
【０１１０】
アンテナ２５２は導波管２５３を介して分離器２５６に接続されている。マイクロ波源２５５は分離器２５６に接続され、マイクロ波源２５５により生成されたマイクロ波は、分離器２５６および導波管２５３を介してアンテナ２５２に供給される。マイクロ波はアンテナ２５２から半導体ウェハＷに向けて照射され、研磨パッド４０を透過（貫通）して半導体ウェハＷに到達する。半導体ウェハＷからの反射波は、再び研磨パッド４０を透過した後、アンテナ２５２により受信される。
【０１１１】
反射波はアンテナ２５２から導波管２５３を介して分離器２５６に送られ、分離器２５６によって入射波と反射波とが分離される。分離器２５６には検出部２５７が接続されており、分離器２５６により分離された反射波は検出部２５７に送信される。検出部２５７では反射波の振幅および位相が検出される。反射波の振幅は電力（ｄｂｍまたはＷ）もしくは電圧（Ｖ）の値として検出され、反射波の位相は検出部２５７に内蔵された位相計測器（図示せず）により検出される。位相計測器を設けずに反射波の振幅のみを検出部で求めるようにしてもよく、また、反射波の位相のみを位相計測器で求めるようにしてもよい。
【０１１２】
モニタ装置２５８では、検出部２５７によって検出された反射波の振幅および位相に基づいて、半導体ウェハＷ上に成膜された金属膜や非金属膜などの膜厚が解析される。モニタ装置２５８には制御部５４が接続されており、モニタ装置２５８で得られた膜厚の値がモニタ信号として制御部５４に送られる。
【０１１３】
図２１は、上述した光学式センサを用いて酸化膜のような透光性を有する膜を測定する場合のモニタ信号の変化を示したグラフである。この場合、モニタ信号は、時間に関して正弦波状に変化するため、モニタ信号の値が与えられても、基準信号の対応する点は一義的には定まらない。しかしながら、通常、初期膜厚の範囲は限られているため、信号の極値を区切りとして、あるいは、信号の増減によって、基準信号の時間軸上に区間を定義すれば、初期膜厚がどの区間に対応するか判別することができ、モニタ信号値の基準信号への対応づけが可能となる。
【０１１４】
例えば、図２１において、基準信号ＲＳ１１の極大値間にそれぞれ２つの区間を割り当てる。一の極大値が現れたときの膜の膜厚と次の極大値が現れたときの膜の膜厚との差Δｄは、光の波長をλ、膜の屈折率をｎとして、Δｄ＝λ／２ｎと表される。初期膜厚が２区間の範囲内、例えば、区間VIIIから区間IXまたは区間IXから区間Xにあることが分かれば、その時点で初期膜厚が基準信号ＲＳ１１上のどの位置に相当するかを特定できる。
【０１１５】
このようにして初期膜厚を特定した後は、モニタ信号ＭＳ３が基準信号ＲＳ１１に収束するように制御することで、上述したように、ウェハの残膜量の制御が可能になる。さらに、図１７を参照して説明したのと同様の方法により、直線Ｌを用いてモニタ信号ＭＳ３を概略直線的に減少する新たなモニタ信号ＭＳ４に変換することもでき、簡単に良好な制御性能を得ることができる。
【０１１６】
図１７の最初の区間および図２１の極大点および極小点付近においては、基準信号の傾きが０に近く、ノイズ等の影響により相対的に不安定になって、モニタ信号の値に対応する基準信号上の点を精度よく求められないことがある。このような場合には、新たなモニタ信号は不定とし、この区間は制御を休止し、押圧力などの操作量は直前の値を継続して使用するのがよい。上述の方法では、基準信号は全区間において変換可能であるため、制御を休止する区間は新たなモニタ信号が不定の区間またはその付近に限られる。したがって、図２１に示すように、モニタ信号が研磨時間に応じて増減する場合においても、操作タイミングを適当に設定することにより、良好な制御性能を期待することができる。
【０１１７】
あるいは、増減を繰り返すモニタ信号の極大値または極小値が現れる時刻に着目して、ウェハの各部位（領域）に対する押圧力を決定してもよい。すなわち、着目する部位におけるモニタ信号が極大点または極小点に達する時刻を各部位について計測し、この到達時刻が他の部位に比べて早い部位に対応する領域に対する押圧力を小さく、到達時刻が他の部位に比べて遅い部位に対応する領域に対する押圧力は大きくする。ウェハの表面上のパターンの影響などによって、同一膜厚に対するモニタ信号の値がばらつく場合にも、良好な制御性能を期待することができる。この場合において、基準信号が極大点または極小点に達する時刻を基準に、モニタ信号が極大点または極小点に達する時刻が遅いか早いかを判断することも可能であるが、基準信号を設定せずに、各部位におけるモニタ信号が極大点または極小点に達する時刻の相対的な関係に応じて押圧力を調整して、面内均一性を向上させることもできる。
【０１１８】
図２２は、本発明に係る制御演算方法を説明するためのグラフである。図２２においては、図１７および図２１を参照して説明したモニタ信号の変換方法が用いられている。研磨開始後の時刻ｔにおける新しい基準信号ｙｓ（ｔ）は、以下の式（２）で表される。
ｙｓ（ｔ）＝Ｔ０−ｔ …（２）
上記式（２）において、Ｔ０は基準信号における研磨開始から研磨終点までの時間である。
【０１１９】
この例において、Ｔ０は、基準信号を上述した３通りのうちの前２通りのいずれかの方法で時間軸に関して平行移動した基準信号に対するもの（図１３、図１４参照）である。図１５に示す例の場合には、右辺はその時点の各部位のモニタ信号を平均化した値になる。このとき、全ての場合において、ｔｏを所定の時間として、時刻ｔからｔｏ経過後のウェハの各部位におけるモニタ信号の予測値ｙｐ（ｔ，ｔｏ）は、以下の式（３）で表される。
ｙｐ（ｔ，ｔｏ）＝ｙ（ｔ）＋ｔｏ・｛ｙ（ｔ）−ｙ（ｔ−Δｔｍ）｝／Δｔｍ …（３）
上記式（３）において、ｙ（ｔ）は時刻ｔにおけるモニタ信号、Δｔｍはモニタ信号の時間変化に対する傾きを算出するために定められた時間である。
【０１２０】
このとき、時刻ｔからｔｏ経過後のモニタ信号の予測値の、基準信号に対する不一致度Ｄ（ｔ，ｔｏ）を以下の式（４）のように定義する。
Ｄ（ｔ，ｔｏ）＝−｛ｙｐ（ｔ，ｔｏ）−ｙｓ（ｔ＋ｔｏ）｝／ｔｏ …（４）
【０１２１】
式（４）で表される不一致度Ｄが正であればモニタ信号が基準信号に対して進み気味であることを意味し、負であれば遅れ気味であることを意味する。
【０１２２】
図２２に示すように、周期Δｔの各時点ｔにおいて、常にモニタ信号の予測値が基準信号に一致すれば、モニタ信号は基準信号に漸近し収束することが期待される。例えば、図２３のように、裏面に押圧力ｕ３が加えられるウェハの領域Ｃ３の不一致度をＤ３、領域Ｃ３に隣接する領域Ｃ２，Ｃ４の不一致度をそれぞれＤ２，Ｄ４として、押圧力ｕ３の変化量Δｕ３を決定することを考える。図２４は、このような押圧力ｕ３の変化量Δｕ３を決定するためのファジィルールの一例である。また、図２５は、図２４のファジィルールに、さらにウェハと摺動した直後の研磨パッドの部位の温度Ｔｐを考慮した場合のファジィルールの一例である。図２４および図２５において、“Ｓ”は「小さい」、“Ｂ”は「大きい」を意味し、“ＰＢ”は「大きく増やす」、“ＰＳ”は「少し増やす」、“ＺＲ”は「変えない」、“ＮＳ”は「少し減らす」、“ＮＢ”は「大きく減らす」を意味する。
【０１２３】
図２４のファジィルールに示すように、押圧力の変化量Δｕ３は、対応する領域Ｃ３の不一致度Ｄ３や押圧力ｕ３自体が小さいほど大きく増加させ、また、領域Ｃ３と隣り合う領域Ｃ２，Ｃ４の不一致度Ｄ２，Ｄ４が小さい場合にも増やす方向に調整する。互いに独立なその他の領域の押圧力、これに対応する領域の不一致度、押圧力の変化量に対しても、それぞれ同様な考え方でファジィルールを定めれば、押圧力を極端に大きい値または小さい値に変更することなく、すべての不一致度が零に収束するように制御を行うことができる。
【０１２４】
多くの場合、研磨パッドの温度が高いほど研磨レートが上昇し、これによりさらに温度が上昇し易い。したがって、図２５に示す例では、研磨パッドの温度Ｔｐが低いほど押圧力ｕ３の変化量Δｕ３を大きく、温度Ｔｐが高いほど変化量Δｕ３を小さく設定している。
【０１２５】
図２６は、図２４および図２５の前件部変数（Ｄ２〜Ｄ４、ｕ３、Ｔｐ等）に対するメンバシップ関数を示すグラフであり、図２７は、後件部変数（Δｕ３等）に対するメンバシップ関数を示すグラフである。図２６の前件部変数軸上の点Ｓ１，Ｓ２を変更することで、当該変数に関する大小の判断基準を変えることができる。また、図２７の後件部変数軸上の係数Ｓ３を変更することで、操作量Δｕ３の感度（前件部変数が等しい場合の操作量の大小）を調節することができる。
【０１２６】
本発明に適用できるファジィルールは、図２４および図２５に示したものに限られるものではなく、系の特性に応じて任意に定義することができる。また、前件部変数、後件部変数に対するメンバシップ関数も任意に定義でき、論理積法、含意法、集積法、非ファジィ化法等の推論の方法も適宜選択して用いることができる。
【０１２７】
上述した例では、不一致度の予測値を求めて推論を行う予測型のファジィ制御を利用している。センサがウェハの被研磨面の情報を取り込んでから実際に押圧力が完全に新しい値に置き換わって研磨状態が変化し、センサの出力値が完全に変わるまでには、センサからモニタ装置への出力信号の転送、モニタ信号への変換と平滑化、押圧力の演算、制御部５４への転送、圧力調整部４５（図２参照）への指令、押圧機構（圧力室）の動作など多くのステップが必要とされる。したがって、操作量の変更が完全に信号波形に反映されるまでには、通常１、２秒から１０秒程度を要する。このように応答遅れの影響を抑えて効果的な制御を行うために、予測型の制御は有効である。
【０１２８】
予測型の制御の方法としては、上述したファジィ制御だけではなく、例えば、適当な数学モデルを定義してモデル予測制御を行ってもよい。上述した応答遅れを含めてモデル化することにすれば、更なる制御性能の向上を期待することができる。なお、このような系においては、制御周期を短くしても、モニタ信号に操作量の変化が十分に反映される前に次の操作を行ってしまうことになり、意味がないだけでなく、不要な操作量の変化やこれによる信号値の変動を引き起こしてしまうおそれがある。研磨時間は、通常数十秒から数百秒程度であるから、制御周期を長くし過ぎると面内均一性が達成される前に研磨終点に達してしまう。したがって、制御周期は１秒以上１０秒以下であることが好ましい。
【０１２９】
予測型の制御の方法としてモデル予測制御を用いる場合には、各制御周期において、次のような形式の条件で、現ステップの操作量として各領域押圧力が決定される。
Ｊ＝‖ＹＲ−ＹＰ‖２＋λ２‖ΔＵＱ‖２ → 最小
第１項は次ステップから第Ｐステップまでの参照軌跡ＹＲと予測応答ＹＰの差に対応し、第２項は現ステップから第Ｑステップまでの操作量の変化（増分）に対応する。第２項の係数λ２を大きくすれば、操作量増分の重みが増して操作量の変化が小さくなり、逆に、小さくすれば操作量の変化が大きくなる。すなわち、１／λ２は操作量の感度と見なせる。
【０１３０】
図２８および図２９は、上述のようにして、制御演算によりウェハの各領域の押圧力の変化量を求めたとき、いずれかの領域で押圧力（＝現在値＋変化量）が所定の上下限値を超えた場合に行うスケーリングを説明するためのグラフである。
【０１３１】
本発明に係る制御においては、ウェハの面内均一性に着目するため、上下限値を超えた領域の押圧力だけ単純に上下限値の範囲内に収めたのでは、領域間のバランスが崩れて良好な制御性能を期待することができない。したがって、図２８に示す例では、押圧力の基準値を設け、各領域の押圧力（＝現在値＋変化量）と基準値との差（図２８において矢印で示す）の各領域間の比率が、スケーリング後も保持されるように変化量を調整する。押圧力の基準値は、上下限値の平均値であってもよいし、あるいは予め標準的な値であってもよい。このようなスケーリングによって、各領域の押圧力の分布を制御演算で求めた所望の分布と概略一致させることができる。
【０１３２】
図２９に示す例では、現時点における押圧力からの変化量に着目して、変化量（図２９において矢印で示す）の各領域間の比率が、スケーリング後も保持されるように変化量を調整する。現時点までの制御が概ね良好に推移しているとすれば、押圧力の変化量をこのようにスケーリングすることで良好な制御を実現できる。なお、図２８および図２９においては、領域Ｃ１〜Ｃ４の上限値および下限値がすべて等しいとしているが、上限値および下限値は領域ごとに異なる値を設定してもよい。
【０１３３】
以上では、各領域の押圧力に上下限値が設定された場合の押圧力のスケーリング法について述べたが、隣り合う領域の押圧力の差に上限値が設定された場合や、各領域の押圧力の変化量（増分）に上下限値が設定された場合にも、同様の考え方で押圧力をスケーリングすることができる。また、押圧力の変化量に上下限値が設定された場合には、押圧力の変化量に対する制御演算値が上下限値を超える度に、前述の操作量の感度Ｓ３や１／λ２を小さ目に調節して、変化量が制限内に入るまで制御演算を繰り返してもよい。
【０１３４】
図３０Ａおよび図３０Ｂは、上述した制御方法によって、ウェハに対する押圧力を制御する場合のシミュレーション結果である。図３０Ａにおいて、モニタ信号は、初期値（最大値）を１、終値（最小値）を０として正規化している。図３０Ｂにおいて、押圧力は初期値を１として正規化している。図３０Ａおよび図３０Ｂに示す例では、研磨開始後５０秒付近で各部位のモニタ信号値は収束し、ウェハの各領域の押圧力も概ね一定値に近づく。押圧力は、さらに８０秒付近で完全に収束している。そして、９５秒付近で、信号値は０に達して研磨終点を示し、以後一定値を取る。
【０１３５】
このように、制御が良好に行なわれると、各領域の押圧力は一定値に収束することが期待される。そこで、モニタ信号の値に閾値を設け、研磨終点より所定の時間前に閾値を用いて制御を停止し、各領域に対する押圧力はその時点の値を保持するようにする。このようにすれば、研磨終点付近において、押圧力が変化することなく安定した研磨が保証され、ディッシング等の研磨上の懸念がなくなる。
【０１３６】
さらに、研磨終了後において、このときの各領域に対する押圧力の値を記憶装置に格納し、次の同一仕様のウェハを研磨する際にこの保存された押圧力の値を使うことができる。このようにすれば、研磨初期に標準的な押圧力を加えることができ、研磨中の不要な押圧力の変化を抑止できる。特に研磨前のウェハの面内均一性がよい場合には、研磨中ほとんど押圧力を変化させることなく、極めて安定した研磨を実現できる。
【０１３７】
あるいは、初期の面内均一性がよい場合には、このような制御の特性を、初期の研磨条件の決定に用いることもできる。従来は、プロセスエンジニアがウェハの研磨と単体測定器による膜厚分布の測定を繰り返しながら、ウェハの各領域やリテーナリングに加える押圧力などの研磨条件を試行錯誤で決定し、レシピを作成していた。このため、多大な工数を要すると共に、トライアル用に多数のウェハが必要であった。本発明に係る研磨方法をこのようなプロセス立上に活用することにより、生産ウェハの研磨中には安全のため押圧力などの研磨条件を動的に変更することが許されない場合においても、速やかに研磨条件を決定することができ、プロセスエンジニアの負荷軽減とトライアル用ウェハの節約が実現できる。
【０１３８】
生産用ウェハの研磨時においては、上述したセンサと同一のもので取得したセンシング信号に基づいてモニタ信号を生成し、これに基づいて終点検出を行うこともできる。モニタ信号は、上述した制御に用いられるものであっても、あるいは他の変換により生成されたものであってもよい。図３０Ａに示す例のように、研磨終点付近では、各領域のモニタ信号は概ね等しい値を取り、面内均一性がよい。したがって、オーバポリッシュ時間を短く取っても金属膜の研磨残りがないことが保証され、過研磨によるディッシングやエロージョンなどの弊害を回避できる。同様にして、透光性の層間絶縁膜のような場合には、面内均一性を向上させた上で所定の膜厚で正確に研磨を停止することができる。さらに、新たなハードウェアを必要としないので、本発明は経済的である。
【０１３９】
本発明に係る研磨方法は、複数の段階からなる研磨工程にも適用できる。図３１は、１枚のウェハに対してＮ段階からなる研磨工程を行う場合のシステム流れを示したブロック図である。各段階においては、研磨面のドレッシング等の研磨動作以外の動作が含まれてもよい。また、各段階に対して、それぞれ独立に研磨条件（研磨テーブルやトップリングの回転速度、研磨液、トップリングによる押圧力等）を設定することができる。さらに、研磨工程のすべての段階に対して本発明に係る研磨方法を適用してもよいし、あるいは、必要な段階だけに対して本発明に係る研磨方法を適用してもよい。
【０１４０】
モニタ装置５３内の制御部５３ａは、通常停止状態にある。そして、研磨対象であるウェハがトップリングに装着され研磨テーブル上に移動して研磨準備が完了すると、制御部５４から起動指令が出されて、制御部５３ａはハードディスクなどの記憶装置からこのウェハに関する制御パラメータや基準信号などの必要情報を読み込んで、停止状態から休止状態に移行する。
【０１４１】
第１段階の研磨を開始する時点で、制御部５４からモニタ装置５３に初期化指令が送信され、制御部５３ａは、第１段階の研磨に関する必要情報を演算ルーチンに引き渡し、演算ルーチン内のメモリを初期化して、休止状態から実行状態に移行する。
【０１４２】
その後、モニタ装置５３内の制御部５３ａでは、所定のタイミングで演算ルーチンが作動して、センサの出力信号を基に、モニタリング部５３ｂによって生成されたモニタ信号ＭＳに対して演算処理を行い、ウェハに対する押圧力等を計算する。計算された押圧力は、制御部５４を介して、トップリングの押圧力を調整する圧力調整部４５に送信される。その後、第１段階の研磨終了時には、制御部５４からモニタ装置５３に中断指令が送信され、制御部５３ａは実行状態から休止状態に移行する。上述のように、モニタ装置５３内でモニタリングや終点検出の演算だけでなく、制御演算も行うことにより、ハードウェアを追加することなしに、ＣＭＰ装置側へのデータ転送量の小さいシステムを構成することができる。
【０１４３】
以後、本発明に係る研磨方法を適用する各段階において、同様の処理が行なわれて実行状態から休止状態までの処理が繰り返される。最後の段階における研磨終了時には、制御部５４からモニタ装置５３に終了指令が送信され、制御部５３ａは休止状態から停止状態に移行する。上述した例では、トップリングの押圧力を制御する例を示したが、トップリングの押圧力に加えてリテーナリングの押圧力を制御することもできる。
【０１４４】
上述の実施形態においては、研磨装置の例について説明したが、本発明は他の基板処理装置にも適用できる。例えば、めっき装置や化学蒸着（ＣＶＤ）装置にも本発明を適用することができる。
【０１４５】
図３２は本発明を適用することができるめっき装置の一例を示す縦断面図、図３３は図３２に示すめっき装置のアノードの平面図である。図３２および図３３に示すように、このめっき装置は、揺動アーム３００と、揺動アーム３００の自由端にボールベアリング３０２を介して連結したハウジング３０４と、このハウジング３０４の下端開口部を塞ぐように配置された含浸体３０６とを備えている。含浸体３０６は、保水性材料から形成されている。
【０１４６】
ハウジング３０４の下部には、内方突出部３０４ａが、含浸体３０６の上部にはフランジ部３０６ａがそれぞれ設けられ、含浸体３０６のフランジ部３０６ａをハウジング３０４の内方突出部３０４ａに引っ掛け、さらにスペーサ３０８をフランジ部３０６ａの上面に介装することで、ハウジング３０４内に含浸体３０６が保持されている。これにより、ハウジング３０４の内部にめっき液室３１０が形成される。
【０１４７】
揺動アーム３００は、サーボモータからなる上下動モータ３１２とボールねじ３１４を介して上下動するように構成されている。この上下機構は空気圧アクチュエータであってもよい。ウェハＷはウェハホルダ３１６で保持され、ウェハＷの周縁部にシール材３１８とカソード電極３２０が当接するようになっている。
【０１４８】
含浸体３０６は、アルミナ、ＳｉＣ、ムライト、ジルコニア、チタニア、コージライト等の多孔質セラミックスまたはポリプロピレンやポリエチレンの焼結体等の硬質多孔質体、あるいはこれらの複合体、さらには織布や不織布で構成される。例えば、アルミナ系セラミックスにあっては、ポア径３０〜２００μｍ、ＳｉＣにあっては、ポア径３０μｍ以下のものを使用するのがよく、含浸体３０６は、気孔率２０〜９５％、厚み１〜２０ｍｍ、好ましくは５〜２０ｍｍ、さらに好ましくは８〜１５ｍｍ程度であることが好ましい。例えば、含浸体３０６は、気孔率３０％、平均ポア径１００μｍでアルミナ製の多孔質セラミックス板から構成される。含浸体３０６の内部にめっき液を含有させることで、めっき液の電気伝導率より小さい電気伝導率を有するように構成されている。すなわち、多孔質セラミックス板自体は絶縁体であるが、この内部にめっき液を複雑に入り込ませ、厚さ方向にかなり長い経路を辿らせることで、含浸体３０６がめっき液の電気伝導率より小さい電気伝導率を有するように構成されている。
【０１４９】
このように含浸体３０６をめっき液室３１０内に配置し、この含浸体３０６によって大きな抵抗を発生させることで、シード層等のウェハの表面のシート抵抗の影響を無視できる程度にして、ウェハの表面のシート抵抗による電流密度の面内差を小さくして、めっき膜の面内均一性を向上させることができる。
【０１５０】
めっき液室３１０内には、めっき液導入管３２２が配置されており、この下面にはアノード３２４が取付けられている。めっき液導入管３２２にはめっき液導入口３２２ａが設けられ、このめっき液導入口３２２ａは、めっき液供給源（図示せず）に接続されている。ハウジング３０４の上面にはめっき液排出口３０４ｂが設けられている。
【０１５１】
めっき液導入管３２２は、被めっき面に均一にめっき液を供給できるように、マニホールド構造が採用されている。すなわち、めっき液導入管３２２の長手方向に沿った所定の位置に、めっき液導入管３２２の内部に連通する多数の細管（図示せず）が連結されている。アノード３２４および含浸体３０６のこの細管に対応する位置には細孔が設けられ、細管は、これらの細孔内を下方に延びて、含浸体３０６の下面または下面付近に達している。
【０１５２】
めっき液導入管３２２から導入されためっき液は、細管を通過して含浸体３０６の下方に達し、この含浸体３０６の内部を通過してめっき液室３１０内を満たしてアノード３２４をめっき液中に浸漬させる。また、めっき液排出口３０４ｂを通してめっき液は吸引される。アノード３２４の内部に、上下に連通する多数の貫通孔を設け、めっき液室３１０内に導入しためっき液が貫通孔内を流通して含浸体３０６に達するようにしてもよい。
【０１５３】
アノード３２４は、スライムの生成を抑制するため、一般に、含有量が０．０３〜０．０５％のリンを含む銅で構成される。この実施形態では、アノード３２４として、例えば、白金、チタン等の不溶解性金属あるいは金属上に白金等をめっきした不溶解性電極からなる不溶解アノードが使用されている。アノード３２４として、不溶解アノードを用いることで、アノード３２４の溶解による形状変化を防止して、アノード３２４を交換することなく、常に一定の放電状態を維持することができる。
【０１５４】
図３３に示すように、アノード３２４は、この例では、同心状に４つに分割した分割アノード３２４ａ〜３２４ｄから構成され、この分割アノード３２４ａ〜３２４ｄの隣接する分割面の間にリング状の絶縁体３２６ａ〜３２６ｃが介装されている。つまり、アノード３２４は、中央に位置する中実円板状の第１分割アノード３２４ａ、第１分割アノード３２４ａの周囲を囲繞する環状の第２分割アノード３２４ｂ、第２分割アノード３２４ｂの周囲を囲繞する環状の第３分割アノード３２４ｃ、および第３分割アノード３２４ｃの周囲を囲繞する環状の第４分割アノード３２４ｄからなる。第１分割アノード３２４ａと第２分割アノード３２４ｂの間、第２分割アノード３２４ｂと第３分割アノード３２４ｃの間、および第３分割アノード３２４ｃと第４分割アノード３２４ｄの間に、環状の絶縁体３２６ａ〜３２６ｃがそれぞれ介装され、これらの分割アノード３２４ａ〜３２４ｄおよび絶縁体３２６ａ〜３２６ｃが同一平面上に配置されている。
【０１５５】
図３２に示すように、カソード電極３２０はめっき電源３２８の陽極に、アノード３２４はめっき電源３２８の陰極にそれぞれ電気的に接続される。このめっき電源３２８には整流器３３０が接続されており、この整流器３３０は、流れる電流の向きを任意に変更し、第１分割アノード３２４ａとウェハの被めっき面、第２分割アノード３２４ｂとウェハの被めっき面、第３分割アノード３２４ｃとウェハの被めっき面、および第４分割アノード３２４ｄとウェハの被めっき面に供給される電圧または電流を個別かつ任意に調整する。
【０１５６】
例えば、めっき初期において、（第４分割アノード３２４ｄ＜第３分割アノード３２４ｃ＜第２分割アノード３２４ｂ＜第１分割アノード３２４ａの順に）アノード３２４の中央部側の方が、その周囲よりも電流密度が高くなるよう調整してウェハＷの中央部にもめっき電流を流し、しかも、内部にめっき液を保持した含浸体３０６に大きな抵抗を発生させ、ウェハ表面のシート抵抗の影響を無視できる程度となすことと相俟って、より高いシート抵抗をもつウェハに対しても、ウェハ表面のシート抵抗による電流密度の面内差を小さくして、より均一な膜厚のめっき膜を確実に形成することができる。
【０１５７】
図３２に示すように、含浸体３０６には、分割アノード３２４ａ〜３２４ｄに対応した位置に、ウェハ表面の膜厚を計測するセンサ３５２が配置されている。これらのセンサ３５２としては、渦電流センサや光学式センサをはじめとする各種センサを用いることができる。これらのセンサ３５２によりウェハ表面の膜厚を計測し、この膜厚が上述した基準信号に収束するように各分割アノード３２４ａ〜３２４ｄに印加する電圧が制御される。
【０１５８】
図３４は、本発明を適用することができるＣＶＤ装置の一例を示す縦断面図である。図３４に示すように、ＣＶＤ装置は、成膜室４００と、成膜室４００の上部に配置されたガス噴出ヘッド４０２と、成膜室４００の内部に配置されたホットプレート４０４とを備えている。ホットプレート４０４は、内部にヒータ４０６と、ウェハ載置部直下の温度を測定する温度センサ４０８とを備えている。
【０１５９】
成膜室４００には、ウェハＷの搬入および搬出を行う搬入出口４００ａと、内部の排気を行う排気口４００ｂが設けられている。搬入出口４００ａには、排気口４００ｂを介して成膜室４００内を１３．３３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下の低圧に維持できるよう、ゲート４１０が設けられている。
【０１６０】
ガス噴出ヘッド４０２は、多数のガス噴出口４０２ａを有する板状のノズル板４０２ｂと、原料ガスやラジカル等のプロセスガスを導入するためのガス導入口４０２ｃと、ガス置換用のガス排出口４０２ｄとを備えている。
【０１６１】
ホットプレート４０４とガス噴出ヘッド４０２の間に、高周波電源４１２から高周波（例えば１３．５ＭＨｚや６０ＭＨｚ）電圧を印加し、ホットプレート４０４とガス噴出ヘッド４０２の間の空間にプラズマを発生させ、付着物のクリーニング用等に利用してもよい。
【０１６２】
上記構成のガス噴出ヘッド４０２において、ヘッド室４０２ｅ内に導入されたプロセスガスは、ノズル板４０２ｂの多数のガス噴出口４０２ａからウェハＷに向かって噴出される。ノズル板４０２ｂの下面には、ガス噴出口４０２ａから噴出するプロセスガスの流れを整流したまま減速させるディフューザ部材４０２ｆが取付けられている。このディフューザ部材４０２ｆは十分長く、ガス噴出口４０２ａから噴出されたプロセスガスは、該ディフューザ部材４０２ｆを出た直後に全体が速やかに均一流になってウェハＷの面上に到達する。ディフューザ部材４０２ｆは、その角度を任意に調整できるよう、駆動装置（図示せず）に連結されている。
【０１６３】
ディフューザ部材４０２ｆの先端には、ウェハ表面の膜厚を計測するセンサ４５２が配置されている。これらのセンサ４５２としては、渦電流センサや光学式センサをはじめとする各種センサを用いることができる。これらのセンサ４５２によりウェハ表面の膜厚を計測し、この膜厚が上述した基準信号に収束するように、各ディフューザ部材４０２ｆの角度とプロセスガスの流量が制御される。
【０１６４】
図３５は、本発明を適用することができるＣＶＤ装置のガス噴出ヘッド５００を示す縦断面図である。図３５に示すように、ガス噴出ヘッド５００は２個のガス噴出ノズル体５０１，５０２を備え、これら２個のガス噴出ノズル体５０１，５０２は成膜室（図示せず）内に配置されたサセプタ５０４に載置された１枚のウェハＷの上方を矢印Ｃに示すように往復動する。各ガス噴出ノズル体５０１，５０２の底面には多数のガス噴出口が設けられ、各ガス噴出ノズル体５０１，５０２に所定のプロセスガスＧを供給することにより、ガス噴出口からウェハＷの面上にそれぞれのプロセスガスを噴出する。
【０１６５】
成膜室内を低圧（例えば１３．３３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下）に減圧し、ガス噴出ノズル体５０１に水素または水素ラジカル、ガス噴出ノズル体５０２にＣｕ有機金属材料ガスをそれぞれ供給し、２個のガス噴出ノズル体５０１，５０２を一体で往復動させるか、またはガス噴出ノズル体５０１と５０２とでスピードを変えて往復動させる。また、往路の移動終了時に、供給ガスを切替えて、すなわちガス噴出ノズル体５０１にＣｕ有機金属材料ガス、ガス噴出ノズル体５０２に水素または水素ラジカルを供給し、折返し移動させ、これを繰り返す（１回でもよい）ことにより、ウェハＷ上面にＣｕ薄膜を形成する。
【０１６６】
ガス噴出ノズル体５０１，５０２には、それぞれウェハ表面の膜厚を計測するセンサ５５２が取付けられている。これらのセンサ５５２としては、渦電流センサや光学式センサをはじめとする各種センサを用いることができる。また、センサは双方のガス噴出ノズル体５０１，５０２に取付けられていなくてもよく、どちらかのガス噴出ノズル５０１，５０２にのみ配置されていてもよい。ガス噴出ノズル体５０１，５０２がウェハ上を往復運動することにより、ウェハＷの半径方向の膜厚情報を得ることができる。この膜厚が上述した基準信号に収束するように、各ガス噴出ノズル体５０１，５０２から供給されるガスＧの量が制御される。例えば、基準信号に沿ってウェハＷの全面に均一に膜厚を形成する際には、ガス噴出ノズル体５０１，５０２の往復運動に同期してガス流量を制御する。
【０１６７】
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言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１６８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態における研磨装置を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示す研磨装置における研磨ユニットの一部を示す模式図である。
【図３】図３は、図２に示す研磨ユニットにおけるトップリングを示す縦断面図である。
【図４】図４は、図２に示す研磨ユニットにおけるトップリングを示す底面図である。
【図５】図５は、図２に示す研磨ユニットにおける研磨テーブルと半導体ウェハとの関係を示す平面図である。
【図６】図６は、図２に示す研磨ユニットにおけるセンサが半導体ウェハ上を走査する軌跡を示す平面図である。
【図７】図７は、図６に示す半導体ウェハ上の計測点のうちモニタリングを行う計測点を選択する一例を示す平面図である。
【図８】図８は、ウェハ上の金属膜を研磨したときのモニタ信号の変化を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明に係る研磨方法によるモニタ信号の変化を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本発明に係る基準信号を決定する手順を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、図２に示すセンサの有効計測範囲を示す平面図である。
【図１２】図１２は、本発明に係る基準信号の適用方法の一例を説明するためのグラフである。
【図１３】図１３は、本発明に係る基準信号の適用方法の他の例を説明するためのグラフである。
【図１４】図１４は、本発明に係る基準信号の適用方法の他の例を説明するためのグラフである。
【図１５】図１５は、本発明に係る基準信号の適用方法の他の例を説明するためのグラフである。
【図１６】図１６は、本発明に係る研磨方法によるモニタ信号の変化を示すグラフである。
【図１７】図１７は、本発明に係る基準信号およびモニタ信号の変換方法の一例を説明するためのグラフである。
【図１８】図１８は、光学式センサを備えた研磨ユニットを示す模式図である。
【図１９】図１９は、マイクロ波センサを備えた研磨ユニットを示す模式図である。
【図２０】図２０は、図１９に示すマイクロ波センサを示す模式図である。
【図２１】図２１は、本発明に係る基準信号の適用方法の一例を説明するためのグラフである。
【図２２】図２２は、本発明に係る制御演算方法を説明するためのグラフである。
【図２３】図２３は、本発明に係る予測型制御を説明するための模式図である。
【図２４】図２４は、本発明に係る予測型制御用のファジィルールの一例を示すテーブルである。
【図２５】図２５は、本発明に係る予測型制御用のファジィルールの他の例を示すテーブルである。
【図２６】図２６は、図２４および図２５の前件部変数に対するメンバシップ関数を概念的に示したグラフである。
【図２７】図２７は、図２４および図２５の後件部変数に対するメンバシップ関数を概念的に示したグラフである。
【図２８】図２８は、本発明に係る押圧力のスケーリング方法を説明するためのグラフである。
【図２９】図２９は、本発明に係る押圧力のスケーリング方法を説明するためのグラフである。
【図３０】図３０Ａおよび図３０Ｂは、本発明に係る研磨方法のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図３１】図３１は、本発明に係る研磨方法を複数の段階からなる研磨工程に適用した例を示す模式図である。
【図３２】図３２は、本発明を適用することができるめっき装置の一例を示す縦断面図である。
【図３３】図３３は、図３２に示すめっき装置のアノードの平面図である。
【図３４】図３４は、本発明を適用することができるＣＶＤ装置の一例を示す縦断面図である。
【図３５】図３５は、本発明を適用することができるＣＶＤ装置の他の例を示す縦断面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板処理方法に係り、特に半導体ウェハなどの基板を研磨して平坦化する研磨装置および研磨方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハなどの基板を研磨して平坦化する研磨装置には、キャリアヘッド内のチャンバの圧力を調整できるものがある。このような研磨装置は、基板上の膜厚に関連した物理量を測定し、この物理量に基づいて基板の膜厚プロファイルを算出する。そして、算出された膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの比較に基づいてキャリアヘッド内のチャンバの圧力が調整される。
【０００３】
しかしながら、従来の研磨装置においては、研磨中にキャリアヘッド内のチャンバの圧力を連続的に調整するといった実時間制御はなされていなかった。当然ながら、実時間で制御した方が、所望の厚さプロファイルにより近い研磨結果が期待される。従来の研磨装置の圧力調整方法において、実時間制御を適用しようとすると、In Situでウェハ表面の膜厚または膜厚にほぼ比例するデータを計測する必要が生じる。このため、ウェハ上の膜の種類や計測方法などにより適用分野が大きく限定される。
【０００４】
また、目標厚さプロファイルを時々刻々変化させるとすれば処理が煩雑となり、研磨後のプロファイルに固定するとすれば、特に初期膜厚の目標厚さプロファイルからの差が大きいときに操作量が過大あるいは不安定になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような従来技術に鑑みてなされたもので、基板の研磨プロファイル、研磨時間または研磨速度を精度よく制御することができる実用的な研磨装置および方法を提供することを第１の目的とする。
【０００６】
また、本発明は、基板上に形成される膜のプロファイル、処理時間または処理速度を精度よく制御することができる実用的な基板処理方法を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、研磨面を有する研磨テーブルと、基板上の少なくとも１つの領域に対する押圧力を制御しつつ上記基板を上記研磨面に押圧するトップリングとを備えた研磨装置が提供される。この研磨装置は、上記基板上の少なくとも１つの計測点における基板状態を監視するセンサと、上記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、上記モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す基準信号を格納した記憶装置とを備える。さらに、研磨装置は、上記計測点におけるモニタ信号と上記基準信号とを比較し、上記計測点におけるモニタ信号が上記基準信号に収束するように、上記トップリングによる押圧力を制御する制御部を備える。
【０００８】
上記トップリングは、基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御してもよい。上記センサは、上記基板上の複数の計測点における基板状態を監視してもよい。上記トップリングは、上記基板の複数の領域に対して独立して押圧力を与える複数の圧力室を備えるようにしてもよい。
【０００９】
上記制御部は、研磨開始時に上記複数の計測点におけるモニタ信号を平均化した値を求め、研磨開始時における基準信号が上記平均化した値と一致するように、上記基準信号を時間に関して平行移動することができるようにしてもよい。
【００１０】
また、上記制御部は、研磨工程の任意の時刻において上記複数の計測点におけるモニタ信号を平均化した値を求め、該時刻における基準信号が上記平均化した値と一致するように、該時刻以降の基準信号を時間に関して平行移動することができるようにしてもよい。
【００１１】
また、上記制御部は、研磨開始時における基準信号が該研磨開始時の上記基板上の所定の計測点におけるモニタ信号と一致するように、上記基準信号を時間に関して平行移動することができるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記制御部は、研磨工程の任意の時刻において基準信号が該時刻における上記基板上の所定の計測点におけるモニタ信号と一致するように、該時刻以降の基準信号を時間に関して平行移動することができるようにしてもよい。
【００１３】
上記制御部は、研磨時間が所望の時間となるように、研磨開始時に上記基準信号を時間に関して平行移動することができるようにしてもよい。
【００１４】
上記制御部は、研磨工程の任意の時刻において、上記モニタ信号の値と一致する上記基準信号上の時刻を求め、上記基準信号上の一致する時刻から上記基準信号が所定の値となる基準時刻までの時間を求めることができるようにしてもよい。
【００１５】
上記基準信号は、上記基板上に形成された膜の種類、積層構造、配線構造、研磨液の物性、上記研磨面の温度、上記基板の温度、上記研磨面を構成する研磨工具の厚さのうち少なくとも１つをパラメータとして設定された信号であってもよい。
【００１６】
また、上記基準信号として、現在研磨に使用されている研磨面による過去の研磨工程において得られたモニタ信号または交換前の他の研磨面による過去の研磨工程の初期に得られたモニタ信号を用いることができる。
【００１７】
上記制御部は、予測型制御を用いて上記トップリングによる押圧力を制御してもよい。この場合において、上記制御装置の制御周期は、１秒から１０秒であることが好ましい。
【００１８】
上記モニタ装置は、上記基板の外縁部の計測点におけるモニタ信号を制御の対象から除外するようにしてもよい。あるいは、上記モニタ装置は、上記基板の外縁部の計測点におけるモニタ信号に対して補正を行うようにしてもよい。
【００１９】
上記センサは、渦電流センサ、光学式センサ、およびマイクロ波センサの少なくとも１つであってもよい。また、上記センサにより、基板の表面の膜厚を測定することができればより好ましい。
【００２０】
また、研磨装置は、上記研磨テーブルと上記トップリングとの間に相対運動を生じさせる駆動部をさらに備え、上記センサは、上記研磨テーブルの内部に配置されていいてもよい。この場合において、上記駆動部は、上記研磨テーブルを回転運動させるモータであってもよい。
【００２１】
上記制御部は、研磨の途中で断続的に制御を休止してもよい。上記制御部は、研磨終点に到達する前に制御を終了し、制御終了時点の研磨条件を研磨終点まで保持してもよい。上記制御部は、一の基板の研磨の終了時点の研磨条件を別の基板の研磨に対する初期研磨条件として用いるようにしてもよい。上記制御部は、上記モニタ装置の信号に基づいて研磨終点を検出するようにしてもよい。
【００２２】
本発明の第２の態様によれば、研磨面を有する研磨テーブルと、基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御しつつ上記基板を上記研磨面に押圧するトップリングとを備えた研磨装置が提供される。この研磨装置は、上記基板上の複数の計測点における基板状態を監視するセンサと、上記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、上記モニタ信号に基づいて上記トップリングによる押圧力を制御する制御部とを備える。上記制御部は、上記複数の領域のうち少なくとも１つの領域に対する押圧力が所定の範囲を超えた場合に、上記複数の領域のすべてに対する押圧力が上記所定の範囲内に納まるように、上記複数の領域に対する押圧力または押圧力の変化量をスケーリングする。
【００２３】
本発明の第３の態様によれば、研磨面を有する研磨テーブルと、基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御しつつ上記基板を上記研磨面に押圧するトップリングとを備えた研磨装置が提供される。この研磨装置は、上記基板上の複数の計測点における基板状態を監視するセンサと、上記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、上記モニタ信号に極値が現れた時刻に基づいて上記トップリングによる押圧力を制御する制御部とを備えている。この場合において、上記基板の表面に形成された被研磨膜を非金属膜とすることができる。
【００２４】
本発明の第４の態様によれば、研磨面を有する研磨テーブルと、基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御しつつ上記基板を上記研磨面に押圧するトップリングとを備えた研磨装置が提供される。この研磨装置は、上記基板上の複数の計測点における基板状態を監視するセンサと、上記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、上記モニタ信号に基づいて上記トップリングによる押圧力を制御し、上記基板の研磨中に上記複数の領域に対する押圧力の感度を調整する制御部とを備えている。
【００２５】
本発明の第５の態様によれば、基板を研磨面に押圧して基板を研磨する研磨方法が提供される。この方法によれば、基板上の少なくとも１つの計測点における基板状態が監視され、上記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号が生成される。上記計測点におけるモニタ信号と、上記モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す基準信号とが比較され、上記計測点におけるモニタ信号が上記基準信号に収束するように、基板上の少なくとも１つの領域に対する押圧力が制御される。
【００２６】
本発明の第６の態様によれば、上記基板の表面に膜を形成する基板処理方法が提供される。この基板処理方法によれば、基板上の少なくとも１つの計測点における基板状態が監視され、上記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号が生成される。上記計測点におけるモニタ信号と、上記モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す基準信号とが比較され、上記計測点におけるモニタ信号が上記基準信号に収束するように、基板状態が制御される。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、基板の研磨プロファイル、研磨時間や研磨速度を精度よく制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の研磨装置の実施形態について図１から図３５を参照して詳細に説明する。なお、図１から図３５において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態における研磨装置を示す平面図である。図１に示すように、この研磨装置は、多数の半導体ウェハをストックするウェハカセット１を載置するロード／アンロードステージ２を４つ備えている。このロード／アンロードステージ２の列に沿って走行機構３が設けられており、この走行機構３の上には、２つのハンドを有する第１搬送ロボット４が配置されている。第１搬送ロボット４のハンドは、ロード／アンロードステージ２上の各ウェハカセット１にアクセス可能となっている。
【００３０】
第１搬送ロボット４の走行機構３に対してウェハカセット１と反対側には、２台の洗浄・乾燥機５，６が配置されている。第１搬送ロボット４のハンドは、洗浄・乾燥機５，６にもアクセス可能となっている。各洗浄・乾燥機５，６は、ウェハを高速回転させて乾燥させるスピンドライ機能を有している。また、２台の洗浄・乾燥機５，６の間には、４つの半導体ウェハの載置台７，８，９，１０を備えたウェハステーション１１が配置されており、第１搬送ロボット４のハンドがこのウェハステーション１１にアクセス可能となっている。
【００３１】
洗浄・乾燥機５と３つの載置台７，９，１０に到達可能な位置には、２つのハンドを有する第２搬送ロボット１２が配置されており、洗浄・乾燥機６と３つの載置台８，９，１０に到達可能な位置には、２つのハンドを有する第３搬送ロボット１３が配置されている。載置台７は第１搬送ロボット４と第２搬送ロボット１２との間で半導体ウェハを受渡すために使用され、載置台８は第１搬送ロボット４と第３搬送ロボット１３との間で半導体ウェハを受渡すために使用される。また、載置台９は第２搬送ロボット１２から第３搬送ロボット１３へ半導体ウェハを搬送するために使用され、載置台１０は第３搬送ロボット１３から第２搬送ロボット１２へ半導体ウェハを搬送するために使用される。載置台９は載置台１０の上に位置している。
【００３２】
洗浄・乾燥機５に隣接して、第２搬送ロボット１２のハンドがアクセス可能な位置には、研磨後のウェハを洗浄する洗浄機１４が配置されている。また、洗浄・乾燥機６に隣接して、第３搬送ロボット１３のハンドがアクセス可能な位置には、研磨後のウェハを洗浄する洗浄機１５が配置されている。
【００３３】
図１に示すように、研磨装置は、２つの研磨ユニット１６，１７を備えている。それぞれの研磨ユニット１６，１７は、２つの研磨テーブルと、ウェハを保持しかつウェハを研磨テーブルに対して押圧しながら研磨するための１つのトップリングとを備えている。すなわち、研磨ユニット１６は、第１の研磨テーブル１８と、第２の研磨テーブル１９と、トップリング２０と、第１の研磨テーブル１８に研磨液を供給するための研磨液供給ノズル２１と、第１の研磨テーブル１８のドレッシングを行うためのドレッサ２２と、第２の研磨テーブル１９のドレッシングを行うためのドレッサ２３とを備えている。また、研磨ユニット１７は、第１の研磨テーブル２４と、第２の研磨テーブル２５と、トップリング２６と、第１の研磨テーブル２４に研磨液を供給するための研磨液供給ノズル２７と、第１の研磨テーブル２４のドレッシングを行うためのドレッサ２８と、第２の研磨テーブル２５のドレッシングを行うためのドレッサ２９とを備えている。
【００３４】
研磨ユニット１６には、第２搬送ロボット１２のハンドがアクセス可能な位置に半導体ウェハを反転させる反転機３０が設置されており、この反転機３０には半導体ウェハが第２搬送ロボット１２によって搬送される。同様に、研磨ユニット１７には、第３搬送ロボット１３のハンドがアクセス可能な位置に半導体ウェハを反転させる反転機３１が設置されており、この反転機３１には半導体ウェハが第３搬送ロボット１３によって搬送される。
【００３５】
これらの反転機３０，３１とトップリング２０，２６の下方には、反転機３０，３１とトップリング２０，２６との間でウェハを搬送するロータリトランスポータ３２が配置されている。ロータリトランスポータ３２には、ウェハを載せるステージが４ヶ所等配に設けられており、複数のウェハを同時に搭載できるようになっている。反転機３０または３１に搬送されたウェハは、ロータリトランスポータ３２のステージの中心と、反転機３０または３１でチャックされたウェハの中心の位相が合ったときに、ロータリトランスポータ３２の下方に設置されたリフタ３３または３４が昇降することで、ロータリトランスポータ３２上に搬送される。
【００３６】
トップリング２０または２６に移送されたウェハは、トップリング２０または２６の真空吸着機構により吸着され、ウェハは吸着されたまま研磨テーブル１８または２４まで搬送される。そして、ウェハは研磨テーブル１８または２４上に取付けられた研磨パッドまたは砥石等からなる研磨面で研磨される。第２の研磨テーブル１９，２５は、それぞれトップリング２０または２６が到達可能な位置に配置されている。これにより、第１の研磨テーブル１８または２４でウェハを研磨した後に、このウェハを第２の研磨テーブル１９または２５でも研磨できる。研磨が終了したウェハは、上述と同じルートで反転機３０または３１まで戻される。
【００３７】
反転機３０または３１まで戻されたウェハは、第２搬送ロボット１２または第３搬送ロボット１３により洗浄機１４または１５に搬送され、ここで洗浄される。洗浄機１４または１５で洗浄されたウェハは、第２搬送ロボット１２または第３搬送ロボット１３により洗浄機５または６に搬送され、ここで洗浄され乾燥される。洗浄機５または６で洗浄されたウェハは、第２搬送ロボット１２または第３搬送ロボット１３により載置台７または８に載置され、第１搬送ロボット４によりロード／アンロードステージ２上のウェハカセット１に戻される。
【００３８】
次に、上述した研磨ユニットについてより詳細に説明する。研磨ユニット１６と研磨ユニット１７は同一の構成であるので、ここでは研磨ユニット１６についてのみ説明するが、以下の説明は研磨ユニット１７についても適用できる。
【００３９】
図２は、図１に示す研磨ユニット１６の一部を示す模式図である。図２に示すように、トップリング２０の下方に、上面に研磨パッド４０を貼付した研磨テーブル１８が設置されている。研磨テーブル１８の上方には研磨液供給ノズル２１が設置されており、この研磨液供給ノズル２１から研磨テーブル１８上の研磨パッド４０に研磨液Ｑが供給される。研磨テーブル１８は、研磨テーブル１８とトップリング２０との間に相対運動を生じさせる駆動機構としてのモータ（図示せず）に連結されており、回転可能に構成されている。
【００４０】
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、多孔質状になっており、その表面に多数の微細なへこみまたは孔を有している。
【００４１】
トップリング２０は、自在継手４１を介してトップリングシャフト４２に接続されており、トップリングシャフト４２はトップリングヘッド４３に固定されたトップリング用エアシリンダ４４に連結されている。トップリング２０は、略円盤状のトップリング本体６０と、トップリング本体６０の外周部に配置されたリテーナリング６１とを備えている。トップリング本体６０は、トップリングシャフト４２の下端に連結される。
【００４２】
トップリング用エアシリンダ４４はレギュレータＲＥ１を介して圧力調整部４５に接続されている。この圧力調整部４５は、圧縮空気源から加圧空気等の加圧流体を供給することによって、あるいはポンプ等により真空引きすることによって圧力の調整を行う。この圧力調整部４５によって、トップリング用エアシリンダ４４に供給される加圧空気の空気圧等をレギュレータＲＥ１を介して調整することができる。このトップリング用エアシリンダ４４によってトップリングシャフト４２は上下動し、トップリング２０の全体を昇降させると共にトップリング本体６０に取付けられたリテーナリング６１を所定の押圧力で研磨テーブル１８に向けて押圧する。
【００４３】
トップリングシャフト４２はキー（図示せず）を介して回転筒４６に連結されている。この回転筒４６はその外周部にタイミングプーリ４７を備えている。トップリングヘッド４３には、研磨テーブル１８とトップリング２０との間に相対運動を生じさせる駆動機構としてのトップリング用モータ４８が固定されており、タイミングプーリ４７は、タイミングベルト４９を介してトップリング用モータ４８に設けられたタイミングプーリ５０に接続されている。したがって、トップリング用モータ４８を回転駆動することによってタイミングプーリ５０、タイミングベルト４９、およびタイミングプーリ４７を介して回転筒４６およびトップリングシャフト４２が一体に回転し、トップリング２０が回転する。トップリングヘッド４３は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたトップリングヘッドシャフト５１によって支持されている。
【００４４】
図２に示すように、研磨テーブル１８の内部には、研磨される半導体ウェハの膜厚をはじめとする基板状態を監視（検知）するセンサ５２が埋設されている。このセンサ５２は、モニタ装置５３および制御部５４に接続されている。センサ５２の出力信号はモニタ装置５３に送られ、このモニタ装置５３で、センサ５２の出力信号に対して必要な変換・処理（演算処理）を施してモニタ信号が生成される。モニタ装置５３は、このモニタ信号に基づいて制御演算を行う制御部５３ａを有している。この制御部５３ａでは、モニタ信号に基づいてトップリング２０がウェハを押圧する力（押圧力）が決定され、この押圧力が制御部５４に送信される。上記センサ５２として、例えば渦電流センサが用いられる。モニタ装置５３の外部の制御部５４は、トップリング２０による押圧力を変更するように圧力調整部４５に指令を出す。ここで、これらのモニタ装置５３の制御部５３ａと制御部５４とを一体化して１つの制御部に構成してもよい。
【００４５】
図３は図２に示すトップリング２０の縦断面図、図４は図２に示すトップリング２０の底面図である。図３に示すように、トップリング２０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６０と、トップリング本体６０の下端に固定されたリテーナリング６１とを備えている。リテーナリング６１の下部は径方向内方に突出している。トップリング本体６０は金属やセラミックス等の強度およ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６１は、剛性の高い樹脂材またはセラミックス等から形成されている。リテーナリング６１をトップリング本体６０と一体的に形成してもよい。
【００４６】
トップリング本体６０の中央部の上方には、トップリングシャフト４２が配設されており、トップリング本体６０とトップリングシャフト４２とは自在継手４１により連結されている。この自在継手４１は、トップリング本体６０およびトップリングシャフト４２とを互いに傾動可能とする球面軸受機構と、トップリングシャフト４２の回転をトップリング本体６０に伝達する回転伝達機構とを備えている。これらの球面軸受機構および回転伝達機構は、トップリングシャフト４２とトップリング本体６０との互いの傾動を許容しつつ、トップリングシャフト４２の押圧力および回転力をトップリング本体６０に伝達する。
【００４７】
球面軸受機構は、トップリングシャフト４２の下面の中央に形成された半球面状凹部４２ａと、トップリング本体６０の上面の中央に形成された半球面状凹部６０ａと、凹部４２ａ，６０ａの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６２とを含んでいる。一方、回転伝達機構は、トップリングシャフト４２に固定された駆動ピン（図示せず）とトップリング本体６０に固定された被駆動ピン（図示せず）とを含んでいる。トップリング本体６０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シャフト４２の回転トルクをトップリング本体６０に確実に伝達する。
【００４８】
トップリング本体６０およびリテーナリング６１の内部に画成された空間内には、トップリング２０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６３と、環状のホルダーリング６４と、弾性パッド６３を支持する概略円盤状のチャッキングプレート６５とが収容されている。弾性パッド６３は、その径方向外周部がホルダーリング６４とチャッキングプレート６５との間に挟み込まれており、チャッキングプレート６５の下面を覆うように径方向内側に延びている。これにより、弾性パッド６３とチャッキングプレート６５との間には空間が形成されている。
【００４９】
なお、チャッキングプレート６５は金属材料から形成されていてもよいが、センサ５２として渦電流センサを用いて半導体ウェハＷ上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）、Ａｌ２Ｏ３（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。
【００５０】
ホルダーリング６４とトップリング本体６０との間には弾性膜からなる加圧シート６６が張設されている。トップリング本体６０、チャッキングプレート６５、ホルダーリング６４、および加圧シート６６によってトップリング本体６０の内部に圧力室７１が形成されている。図３に示すように、圧力室７１にはチューブ、コネクタ等からなる流体路８１が連通されており、圧力室７１は流体路８１上に配置されたレギュレータＲＥ２（図２参照）を介して圧力調整部４５に接続されている。加圧シート６６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および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００５１】
弾性パッド６３とチャッキングプレート６５との間に形成される空間の内部には、弾性パッド６３に当接するセンターバッグ９０およびリングチューブ９１が設けられている。本実施形態においては、図３および図４に示すように、センターバッグ９０はチャッキングプレート６５の下面の中心部に配置され、リングチューブ９１はこのセンターバッグ９０の周囲を取り囲むようにセンターバッグ９０の外側に配置されている。各弾性パッド６３、センターバッグ９０、およびリングチューブ９１は、加圧シート６６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および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００５２】
チャッキングプレート６５と弾性パッド６３との間に形成される空間は、センターバッグ９０およびリングチューブ９１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９０とリングチューブ９１の間には圧力室７２が、リングチューブ９１の径方向外側には圧力室７３がそれぞれ形成されている。
【００５３】
センターバッグ９０は、弾性パッド６３の上面に当接する弾性膜９０ａと、弾性膜９０ａを所定の位置に着脱可能に保持するセンターバッグホルダー９０ｂとを含んでいる。センターバッグ９０の内部には、弾性膜９０ａとセンターバッグホルダー９０ｂとによって中心部圧力室７４が形成されている。同様に、リングチューブ９１は、弾性パッド６３の上面に当接する弾性膜９１ａと、弾性膜９１ａを所定の位置に着脱可能に保持するリングチューブホルダー９１ｂとを含んでいる。リングチューブ９１の内部には、弾性膜９１ａとリングチューブホルダー９１ｂとによって中間部圧力室７５が形成されている。
【００５４】
圧力室７２，７３，７４，７５には、チューブ、コネクタ等からなる流体路８２，８３，８４，８５がそれぞれ連通されており、圧力室７２〜７５はそれぞれの流体路８２〜８５上に配置されたレギュレータＲＥ３〜ＲＥ６を介して圧力調整部４５に接続されている。流体路８１〜８５は、トップリングシャフト４２の上端部に設けられたロータリージョイント（図示せず）を介してそれぞれ各レギュレータＲＥ２〜ＲＥ６に接続されている。
【００５５】
チャッキングプレート６５の上方の圧力室７１および圧力室７２〜７５には、各圧力室に連通される流体路８１〜８５を介して加圧空気等の加圧流体が供給され、あるいは真空引きされる。図２に示すように、圧力室７１〜７５の流体路８１〜８５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７１〜７５の内部の圧力を各々独立に制御するまたは大気圧や真空にすることができる。このように、レギュレータＲＥ２〜ＲＥ６によって各圧力室７１〜７５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６３を介して半導体ウェハＷを研磨パッド４０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。場合によっては、これらの圧力室７１〜７５を真空源５５（図２参照）に接続してもよい。
【００５６】
この場合において、各圧力室７２〜２５に供給される流体の温度をそれぞれ制御してもよい。このようにすれば、半導体ウェハ等の基板の被研磨面の裏側から基板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により、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。
【００５７】
弾性パッド６３には、図４に示すように、複数の開口部９２が形成されている。センターバッグ９０とリングチューブ９１との間の開口部９２から露出するようにチャッキングプレート６５から下方に突出する内周部吸着部９３が設けられており、また、リングチューブ９１の径方向外側の開口部９２から露出するように外周部吸着部９４が設けられている。本実施形態においては、弾性パッド６３には８個の開口部９２が形成され、各開口部９２に吸着部９３，９４が露出している。
【００５８】
吸着部９３，９４には、流体路８６，８７にそれぞれ連通する連通孔９３ａ，９４ａがそれぞれ形成されている。図２に示すように、吸着部９３，９４は流体路８６，８７およびバルブＶ１，Ｖ２を介して真空ポンプ等の真空源５５に接続されている。吸着部９３，９４の連通孔９３ａ，９４ａが真空源５５に接続されると、連通孔９３ａ，９４ａの開口端に負圧が形成され、吸着部９３，９４の下端に半導体ウェハＷが吸着される。
【００５９】
図３に示すように、半導体ウェハＷの研磨中には、吸着部９３，９４は弾性パッド６３の下端面より上方に位置して、弾性パッド６３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、吸着部９３，９４の下端面は弾性パッド６３の下端面と略同一面になる。
【００６０】
弾性パッド６３の外周面とリテーナリング６１の内周面との間には、わずかな間隙Ｇがあるので、ホルダーリング６４、チャッキングプレート６５、およびチャッキングプレート６５に取付けられた弾性パッド６３は、トップリング本体６０およびリテーナリング６１に対して上下方向に移動可能で、トップリング本体６０およびリテーナリング６１に対してフローティングする構造となっている。ホルダーリング６４には、その下部の外周縁部から径方向外方に突出する突起６４ａが複数箇所に設けられており、この突起６４ａがリテーナリング６１の径方向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６４等の部材の下方への移動が所定の範囲に制限される。
【００６１】
トップリング本体６０の外周縁部には流体路８８が区画されており、この流体路８８を介して洗浄液（純水）が弾性パッド６３の外周面とリテーナリング６１の内周面との間の隙間Ｇに供給される。
【００６２】
このように構成されたトップリング２０において、半導体ウェハＷをトップリング２０に保持するときには、吸着部９３，９４の連通孔９３ａ，９４ａを、流体路８６，８７を介して真空源５５に接続する。これにより、連通孔９３ａ，９４ａの吸引作用により吸着部９３，９４の下端面に半導体ウェハＷが真空吸着される。半導体ウェハＷを吸着した状態でトップリング２０を移動させ、トップリング２０の全体を研磨面（研磨パッド４０）の上方に位置させる。半導体ウェハＷがトップリング２０から飛び出さないよう、半導体ウェハＷの外周縁はリテーナリング６１によって保持される。
【００６３】
半導体ウェハの研磨時には、吸着部９３，９４による半導体ウェハＷの吸着を解除し、トップリング２０の下面に半導体ウェハＷを保持させると共に、トップリング用エアシリンダ４４を作動させてトップリング２０の下端に固定されたリテーナリング６１を所定の押圧力で研磨テーブル１８の研磨パッド４０に押圧する。この状態で、圧力室７２〜７５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１８の研磨面に押圧する。研磨液供給ノズル２１から研磨液Ｑを研磨パッド４０に供給することにより、研磨パッド４０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４０との間に研磨液Ｑが存在した状態で半導体ウェハが研磨される。
【００６４】
半導体ウェハＷの圧力室７２，７３の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室７２，７３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の中心部圧力室７４の下方に位置する部分は、センターバッグ９０の弾性膜９０ａおよび弾性パッド６３を介して、圧力室７４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の圧力室７５の下方に位置する部分は、リングチューブ９１の弾性膜９１ａおよび弾性パッド６３を介して、圧力室７５に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。
【００６５】
したがって、半導体ウェハＷに加わる研磨圧力（押圧力）は、各圧力室７２〜７５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。すなわち、制御部５４（図２参照）がレギュレータＲＥ３〜ＲＥ６によって各圧力室７２〜７５に供給する加圧流体の圧力を、センサ５２の出力に基づいてそれぞれ独立に調整し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１８上の研磨パッド４０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１８の上面の研磨パッド４０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４４に供給される加圧流体の圧力を調整し、リテーナリング６１が研磨パッド４０を押圧する押圧力を変更することができる。
【００６６】
このように、半導体ウェハＷの研磨中に、リテーナリング６１が研磨パッド４０を押圧する押圧力と半導体ウェハＷを研磨パッド４０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）、さらには半導体ウェハＷの外側にあるリテーナリング６１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。
【００６７】
半導体ウェハＷの圧力室７２，７３の下方に位置する部分には、弾性パッド６３を介して流体から押圧力が加えられる部分と、開口部９２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。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６３は開口部９２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７２，７３の内部の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。
【００６８】
半導体ウェハＷの研磨が終了した際は、上述と同様に、半導体ウェハＷを吸着部９３，９４の下端面に再び真空吸着する。このとき、半導体ウェハＷを研磨面に対して押圧する各圧力室７２〜７５への加圧流体の供給を止め、各圧力室７２〜７５を大気圧に開放することにより、吸着部９３，９４の下端面を半導体ウェハＷに当接させる。また、圧力室７１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７１の圧力を高いままにしておくと、半導体ウェハＷの吸着部９３，９４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。したがって、圧力室７１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７１からトップリング本体６０を貫くようにリリーフポート６７を設けて、圧力室７１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７１に圧力をかける際には流体路８１から常に圧力流体を供給し続ける必要がある。リリーフポート６７は逆止弁を備えており、圧力室７１内を負圧にする際には外気が圧力室７１に入らないようにしている。
【００６９】
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２０の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、吸着部９３，９４の連通孔９３ａ，９４ａ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をトップリング２０からリリースする。
【００７０】
図５は、図２に示す研磨ユニット１６における研磨テーブル１８と半導体ウェハＷとの関係を示す平面図である。図５に示すように、センサ５２は、トップリング２０に保持された研磨中の半導体ウェハ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１８の回転中心である。例えば、センサ５２は、半導体ウェハＷの下方を通過している間、通過軌跡（走査線）上で連続的に半導体ウェハＷのＣｕ層等の導電性膜の膜厚あるいは膜厚の変化に応じて増加又は減少する量を検出する。
【００７１】
図６は、センサ５２が半導体ウェハＷ上を走査する軌跡を示す。すなわち、センサ５２は、研磨テーブル１８が１回転するごとにウェハの表面（被研磨面）を走査するが、研磨テーブル１８が回転すると、センサは概ねウェハＷの中心Ｃｗ（トップリングシャフト４２の中心）を通る軌跡を描いてウェハＷの表面上を走査することになる。トップリング２０の回転速度と研磨テーブル１８の回転速度とは通常異なっているため、ウェハＷの表面におけるセンサ５２の軌跡は、図６に示すように、研磨テーブル１８の回転に伴って走査線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，・・・と変化する。しかしながら、上述したように、センサ５２は、ウェハＷの中心Ｃｗを通る位置に配置されているので、センサ５２が描く軌跡は、毎回ウェハＷの中心Ｃｗを通過するようになっている。そして、本実施形態では、センサ５２による計測のタイミングを調整して、センサ５２によってウェハＷの中心Ｃｗを毎回必ず計測するようにしている。
【００７２】
また、ウェハＷの研磨後の表面のプロファイルは、ウェハＷの中心Ｃｗを通り表面に垂直な軸に関してお概ね軸対称になることが知られている。したがって、図６に示すように、ｍ番目の走査線ＳＬｍ上のｎ番目の計測点をＭＰｍ−ｎと表すとき、各走査線におけるｎ番目の計測点ＭＰ１−ｎ，ＭＰ２−ｎ，・・・，ＭＰｍ−ｎに対するモニタ信号を追跡することにより、ｎ番目の計測点の半径位置におけるウェハＷの膜厚の推移をモニタリングすることができる。
【００７３】
図６においては、簡略化のため、１回の走査における計測点の数を１５としている。しかしながら、計測点の個数はこれに限られるものではなく、計測の周期および研磨テーブル１８の回転速度に応じて種々の値にすることができる。センサ５２として渦電流センサを用いる場合には、通常、１つの走査線上に１００個以上の計測点がある。計測点を多くすると、いずれかの計測点がウェハＷの中心Ｃｗに概ね一致するので、上述したウェハＷの中心Ｃｗに対するタイミングの調整を行わなくてもよい。
【００７４】
図７は、図６に示す半導体ウェハＷ上の計測点のうちモニタ装置５３によりモニタリングを行う計測点を選択する一例を示す平面図である。図７に示す例では、モニタ装置５３は、図４を参照して説明したように、押圧力が独立して制御される各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の中心近傍と境界線近傍に対応する位置の計測点ＭＰｍ−１，ＭＰｍ−２，ＭＰｍ−３，ＭＰｍ−４，ＭＰｍ−５，ＭＰｍ−６，ＭＰｍ−８，ＭＰｍ−１０，ＭＰｍ−１１，ＭＰｍ−１２，ＭＰｍ−１３，ＭＰｍ−１４，ＭＰｍ−１５のモニタリングを行っている。図６に示した例とは異なり、計測点ＭＰｍ−ｉとＭＰｍ−（ｉ＋１）との間に別の計測点があってもよい。モニタリングする計測点の選択は、図７に示す例に限られず、ウェハＷの被研磨面上において制御上着目すべき点をモニタリングすべき計測点として任意に選択することができる。
【００７５】
モニタ装置５３では、センサ５２から出力された、選択した計測点の出力信号（センシング信号）に所定の演算処理を行い、モニタ信号として制御部５３ａ（図２参照）に提供する。制御部５３ａでは、提供されたモニタ信号と後述する基準信号とに基づいて、ウェハＷの各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に対応する、トップリング２０内の圧力室７４，７２，７５，７３の圧力設定値をそれぞれ決定し、これを制御部５４（図２参照）に送信する。このようにして、ウェハＷの各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に対する押圧力が調整される。
【００７６】
ノイズの影響を排除してデータを平滑化するために、近傍の計測点についてのモニタ信号を平均化したものを使用してもよい。あるいは、ウェハＷの表面を中心ＣＷからの半径に応じて同心円状に複数の領域に分割し、各領域内の計測点に対するモニタ信号の平均値または代表値を求めて、この平均値または代表値を制御用の新たなモニタ信号として用いてもよい。このようにすれば、センサが研磨テーブル１８の半径方向に複数個並んで配置された場合や、研磨中にトップリング２０がトップリングヘッドシャフト５１を中心として揺動する場合にも効果的である。
【００７７】
図８は、ウェハＷの各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４それぞれに対する押圧力を一定にしてウェハＷ上の金属膜を研磨したときのモニタ信号の変化を示すグラフである。図８は、計測点ＭＰｍ−１，ＭＰｍ−１５（ウェハ端部）に対応するモニタ信号ＭＳＡ、計測点ＭＰｍ−５，ＭＰｍ−１１（ウェハ中間部）に対応するモニタ信号ＭＳＢ、および帯計測点ＭＰｍ−８（ウェハ中心）に対応するモニタ信号ＭＳＣを示す。
【００７８】
図８に示す例では、各モニタ信号は、研磨の初期段階においては緩やかに減少し、やがて減少の勾配が大きくなって、研磨終点（金属膜の除去）に達した時点でほぼ一定になっている。ウェハＷの各部位で初期膜厚が異なるものとすれば、各部位の研磨レートが等しいとしても、図８に示すように、モニタ信号値および研磨終点に達するタイミングが計測点によって異なる。本実施形態においては、モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す所定の基準信号を用意し、モニタ信号がこの基準信号に収束するように制御を行う。
【００７９】
図９は、前述の制御方法を用いてウェハＷの研磨を行ったときのモニタ信号の変化を示すグラフである。研磨中は、各部位のモニタ信号ＭＳＡ，ＭＳＢ，ＭＳＣ、及び図示しない他の部位のモニタ信号が基準信号ＲＳに収束するようにウェハＷの各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４への押圧力を調整する。これにより、各部位のモニタ信号ＭＳＡ，ＭＳＢ，ＭＳＣ等は概ね同一の変化曲線に収束し、研磨終点もすべての部位で一致する。したがって、研磨パッド４０などの装置の状態にかかわらず、ウェハＷの半径方向に関して膜厚の均一性(以下、面内均一性という)のよい研磨を実現することができる。
【００８０】
研磨速度は、研磨する膜の物性、研磨液（スラリ）の種類、研磨パッド４０の厚さ、研磨パッド４０またはウェハＷの温度、研磨する膜の積層構造や配線構造などによって異なる。このため、上記基準信号もこれらの条件によって異なる。制御部５４またはモニタ装置５３には、研磨する膜の物性、研磨液（スラリ）の種類、研磨パッド４０の厚さ、研磨パッド４０またはウェハＷの温度、研磨する膜の積層構造や配線構造などに対応した基準信号のデータベースが構築されており、作業者がこれから研磨しようとするウェハに適合する条件を入力することにより、最適な基準信号が読み出される。あるいは、ウェハＷの仕様が同一であれば、研磨テーブル１８やトップリング２０の回転速度、研磨液や研磨パッド４０の種類などの研磨条件も通常固定されるから、同一仕様のサンプルウェハを研磨して基準信号を取得することとしてもよい。
【００８１】
図１０は、このような基準信号を決定する方法の一例を示すフローチャートである。図１０に示す例では、基準信号の決定は、ウェハＷの研磨工程が始まる前に行われる。まず、装置の初期セットアップとして、トップリング２０、ドレッサ２２、研磨パッド４０、研磨液等を所望の仕様のものに設定し、センサ５２による計測のタイミングを上述のように調整する（ステップ１）。
【００８２】
次に、経験等に基づいて、対象となるウェハＷの仕様に対する研磨条件を定めた仮レシピを作成する（ステップ２）。この仮レシピにおいては、研磨テーブル１８やトップリング２０の回転速度はもちろん、各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４それぞれに対する押圧力やリテーナリング６１の圧力も一定にする。この仮レシピに基づいてウェハＷを研磨して、図８に示すようなモニタ信号を取得する（ステップ３）。
【００８３】
ウェハＷの研磨レートまたは研磨時間が適正なものであるかが判断され（ステップ４）、研磨レートまたは研磨時間が目標値に対して大きく離れている場合には、仮レシピを修正して再度研磨を繰り返す。ウェハＷの研磨が目標時間で行なわれるようになると、モニタ信号が再現性やノイズ等の点から適正なものであるかが判断され（ステップ５）、適正なものであれば、適当な部位の信号を抽出して基準信号を作成し、この基準信号をハードディスクなどの記憶装置（図示せず）に記録する（ステップ６）。モニタ信号に問題があれば、原因を排除した上で、研磨から再試行する。
【００８４】
このとき、センサ５２の出力信号は、基板上の被研磨膜の厚みが同一であれば、センサ５２とウェハＷとの距離によらずお概ね一定のものであることが望ましい。あるいは、上記モニタ信号が、センサ５２とウェハＷとの距離によらずお概ね一定であるように、センサ５２の出力信号からモニタ信号を求めるための演算処理を定められることが望ましい。しかしながら、センサ５２の出力信号、及び、モニタ信号が、センサ５２とウェハＷとの間の距離、換言すれば研磨パッド４０の摩耗に依存して変化し、その影響を無視することができない場合には、次のようにして基準信号を設定してもよい。研磨パッドを交換した直後あるいは間もない時期である場合、過去に同一仕様の研磨パッドに交換した直後あるいは間もない時期に同一仕様のウェハを研磨したときのウェハ上の適当な部位のモニタ信号を基準信号として設定する。研磨パッドを交換した後、一定枚数のウェハを研磨した場合には、現在使用している研磨パッドにおいて直前あるいは少し前のウェハを研磨したときのウェハ上の適当な部位のモニタ信号を基準信号として設定する。
【００８５】
基準信号とするモニタ信号を取得するウェハ上の部位は、該部位に加えられる押圧力の変化の少ない方が、制御時に無駄な操作量を抑えることができるので好ましい。
【００８６】
図１１は、各計測点におけるセンサの有効計測範囲を示す平面図である。例えば、渦電流センサの場合、センサ内のコイルの大きさ、有効範囲広がり角、センサ５２からウェハＷまでの距離に応じてウェハ上の有効計測範囲が決まり、各計測点において図１１の小円１００に示す範囲の情報を取得することとなる。したがって、ウェハＷの外縁端部の近傍を計測しようとすると、センサの有効計測範囲の一部がウェハＷの被研磨面からはみ出してしまう（図１１の計測点ＭＰｍ−１，ＭＰｍ−１５参照）。例えば、図１２に示すように、ウェハ端部の計測点ＭＰｍ−１，ＭＰｍ−１５に対応するモニタ信号ＭＳＡ１が、他の部位のモニタ信号ＭＳＢ，ＭＳＣよりも小さくなると、被研磨膜の膜厚を過少評価してしまう。後述する他の方式のセンサに関しても、条件によっては同様のことが起こり得る。
【００８７】
このような場合には、正確なモニタ信号を取得できない部分の計測点を除外して制御を行う。図１１に示す例では、ウェハＷの端部の計測点ＭＰｍ−１，ＭＰｍ−１５を除外して制御を行う。すなわち、これらの計測点におけるモニタ信号を制御の対象から除外する。これにより、ウェハＷの外縁端部における膜厚の均一性は保証されないこととなるが、ウェハＷの他の領域における膜厚の均一性を向上させることができる。
【００８８】
あるいは、このような場合において、以下の式（１）によってウェハ端部のモニタ信号を補正することもできる。
ｙ（ｒ，ｙｒａｗ）＝ｃ（ｒ，ｙｒａｗ）・（ｙｒａｗ−ｙ０）＋ｙ０ …（１）
上記式（１）において、ｙ（ｒ，ｙｒａｗ）は補正後のモニタ信号値、ｒは計測点のウェハ中心ＣＷからの距離、ｙｒａｗは補正前のモニタ信号値、ｃ（ｒ，ｙｒａｗ）は補正係数、ｙ０は膜厚が０のときのモニタ信号値である。補正係数ｃ（ｒ，ｙｒａｗ）は、実験的に求められた、半径ｒ、変換前のモニタ信号ｙｒａｗの代表値に対する補正係数を基に補間により決定される。これにより、図１２のＭＳＡ２に示すようにモニタ信号が補正され、ウェハ端部において正確なモニタ信号が取得できない場合においても、ウェハ端部を含めて面内均一性を向上させることができる。
【００８９】
上述した構成のセンサに加えて、例えば研磨布のウェハ摺動直後の部位の温度を非接触式の温度計で測定するなどしてウェハ近傍の温度を求め、温度による研磨レートの変化を考慮してもよい。
【００９０】
図１３は、基準信号の適用方法の例を示すグラフである。図１３においては、研磨開始時点または制御開始時点に、研磨終点までの研磨時間が所望の値になるように、基準信号ＲＳ１を時間軸に沿って平行移動して新たな基準信号ＲＳ２を設定している。研磨開始時点または制御開始時点において、基準信号ＲＳ１の研磨終点までの研磨時間が所望の値であれば、基準信号ＲＳ１の平行移動量を０としてもよい。
【００９１】
その後、時間軸に関して基準信号ＲＳ２を固定し、モニタ信号ＭＳＡ，ＭＳＢ，ＭＳＣ及び図示しないその他の部位のモニタ信号がこの基準信号ＲＳ２に収束するように制御を行う。このようにすれば、初期の膜厚プロファイルにかかわらず面内均一性を向上させることができるだけでなく、ウェハ間で初期膜厚にばらつきがあっても、あるいは研磨パッド等の装置の状態に変化があっても、研磨終点までの時間が所定の値になることが期待できる。このように、研磨時間を一定にできれば、研磨装置内でウェハを予想可能な概ね一定の周期で搬送することが可能になる。したがって、研磨時間の長いウェハに左右されて搬送が遅れてしまうようなことがなく、スループットが向上する。
【００９２】
図１４は、基準信号の適用方法のさらに他の例を示すグラフである。図１４においては、各部位のモニタ信号値を平均化した値ａｖが基準信号と一致するように、基準信号ＲＳ３を時間軸に沿って平行移動して新たな基準信号ＲＳ４を設定する。モニタ信号値の平均化の方法は、ウェハの研磨の進捗状況を代表するような値を得るものであればどのような方法であってもよく、例えば、算術平均または加重平均を算出する方法、中央値を取る方法、あるいはモニタ信号値に何らかの変換を施した後に平均化するような方法であってもよい。
【００９３】
その後、時間軸に関して基準信号ＲＳ４を固定し、モニタ信号ＭＳＡ，ＭＳＢ，ＭＳＣ及び図示しないその他の部位のモニタ信号がこの基準信号ＲＳ４に収束するように制御を行う。このようにすれば、図１３に示した例と異なり、ウェハＷの各領域Ｃ１〜Ｃ４に対する押圧力等の操作量を極端に変化させる必要がなく、安定した研磨を行うことが期待できる。また、研磨開始後または制御開始後の研磨時間が、基準信号取得時に同一膜厚から研磨した場合の研磨時間と等しくなることが期待され、初期の膜厚プロファイルにかかわらず面内均一性を向上させることができるだけでなく、研磨パッド等の装置の状態にかかわらず平均的な研磨レートを実現することができる。
【００９４】
図１５は、基準信号の適用方法のさらに他の例を示すグラフである。図１５においては、所定の周期で、各部位のモニタ信号を平均化した値が基準信号と一致するように、基準信号ＲＳ５を時間軸に沿って平行移動する。例えば、モニタ信号を平均化した値ａｖ１，ａｖ２，ａｖ３に一致するように、基準信号ＲＳ５をそれぞれ平行移動し、新たな基準信号ＲＳ６，ＲＳ７，ＲＳ８をそれぞれ設定する。そして、この時々刻々平行移動して設定される基準信号に収束するように、ウェハの各領域Ｃ１〜Ｃ４に対する押圧力等を制御する。このようにすると、初期のウェハの各領域Ｃ１〜Ｃ４の押圧力が概ね妥当な範囲にある場合、ある時点においてある領域の押圧力が増加方向になれば、別の領域の押圧力は減少方向になる。したがって、本実施形態には、研磨時間や研磨レートを調整する機能はないが、操作量の変化を小さくして安定した研磨を行うことができる。さらに、初期の膜厚プロファイルにかかわらず優れた面内均一性を達成することができる。
【００９５】
図１４および図１５では、研磨開始時または所定の周期において、モニタ信号を平均化した値に基準信号が一致するように平行移動している。しかし、モニタ信号を平均化した値以外の値を基準として基準信号を平行移動してもよい。例えば、ウェハの所定の部位のモニタ信号を基準として基準信号を平行移動してもよい。すなわち、研磨開始時において、基準信号が研磨開始時の所定の部位のモニタ信号に一致するように基準信号を平行移動してもよく、研磨工程中においても、基準信号がその時刻における所定の部位のモニタ信号に一致するように基準信号を平行移動してもよい。
【００９６】
上述の例では、モニタ信号がウェハの被研磨面の膜厚を直接表していない。モニタ信号としてウェハの被研磨面の膜厚を表すものを使用できることは言うまでもない。この場合のモニタ信号の時間変化は図１６に示すようになる。この場合、ウェハの各部位のモニタ信号ＭＳＡ，ＭＳＢ，ＭＳＣ及び図示しないその他の部位のモニタ信号は、その部位における膜厚に比例し、図１６に示すように、通常、モニタ信号値ＭＳＡ，ＭＳＢ，ＭＳＣ等および基準信号ＲＳ９が研磨時間に応じて概略直線的に減少することになる。したがって、現在の信号値と時間変化の傾き（微分）に基づいて、所定時間経過後の予測値を計算することができるなどの利点があり、線形計算に基づいて、容易に良好な制御性能を期待することができる。
【００９７】
図１７は、基準信号ＲＳ１０と直線Ｌとに基づいて、ウェハ上のある部位のモニタ信号ＭＳ１を新たなモニタ信号ＭＳ２に変換する方法を示したグラフである。ここで、直線Ｌは、基準信号ＲＳ１０の研磨終点を通る傾き−１の直線である。例えば、図１７に示すように、時刻ｔ１におけるモニタ信号ＭＳ１の値ｖ１が与えられたとき、基準信号ＲＳ１０上で同一の値を有する点Ｐを求める。そして、この点Ｐの時刻から基準信号ＲＳ１０の研磨終点までの残り時間Ｔを求める。この残り時間Ｔは、図１７からわかるように、上記直線Ｌを参照することにより求められる。求められた時間Ｔを基に新たなモニタ信号ＭＳ２の時刻ｔ１における信号値ｖ２を設定する。例えば、ｖ２＝Ｔとなうように信号値ｖ２を設定する。あるいは、信号値ｖ２を基準信号における研磨開始から研磨終点迄の時間ＴＯで正規化してｖ２＝Ｔ／ＴＯとしてもよく、このとき直線Ｌは、時刻０で値１を取り、傾きが−１／ＴＯの直線となる。
【００９８】
基準信号ＲＳ１０に関しても同様の考え方を適用することにすれば、上述した直線Ｌが変換後の新たな基準信号であると見なせる。この新たな基準信号（直線Ｌ）は、基準信号ＲＳ１０上の各点から研磨終点までの残り時間を表すものであるから、時間に関して線形の単調減少関数になり、制御演算が容易になる。
【００９９】
また、このようにすれば、多くの場合、変換後の新たなモニタ信号ＭＳ２が概ねウェハの被研磨面の膜厚に比例して直線的に変化する。したがって、研磨液やウェハの被研磨面上の配線パターン、下層の影響などにより、被研磨面の膜厚値が計測できない場合においても、線形演算で良好な制御性能を得ることが可能になる。図１７に示す例では、基準信号ＲＳ１０における研磨終点を基準時刻として使用している。しかし、基準信号ＲＳ１０における基準時刻は研磨終点に限られるものではない。例えば、基準信号ＲＳ１０が所定の値を取る時刻など、任意に基準時刻を定めることができる。モニタ信号値が研磨時間とともに変化しない区間においては、変換後の新たなモニタ信号の値は不定になる。
【０１００】
上述した例では、センサ５２が渦電流センサである場合を中心に説明したが、センサ５２はウェハの状態を検知することができるものであれば、どのようなものであってもよい。例えば、光学式センサやマイクロ波センサ、その他の動作原理に基づくセンサなどをセンサ５２として用いることができる。
【０１０１】
図１８は、光学式センサを備えた研磨ユニットを示す模式図である。図１８に示すように、この研磨ユニットにおいては、半導体ウェハＷの被研磨面に形成された絶縁膜や金属膜の膜厚や色合いなどの特性値を研磨中に測定し、研磨状態を監視するセンサユニット１５２が内部に埋設されている。このセンサユニット１５２は、研磨中のウェハＷの表面の研磨状況（残っている膜の厚みや状態など)をリアルタイムで連続的に監視する。
【０１０２】
研磨パッド４０には、センサユニット１５２からの光を透過させるための透光部１６０が取付けられている。この透光部１６０は、例えば、無発泡ポリウレタンなどの透過率の高い材質で形成されている。あるいは、研磨パッド４０に貫通孔を設け、この貫通孔が半導体ウェハＷに塞がれる間下方から透明液を流すことにより、透光部１６０を構成してもよい。透光部１６０は、トップリング２０に保持された半導体ウェハＷの方面を通過する位置であれば、研磨テーブル１８の任意の位置に配置することができるが、上述したように、半導体ウェハＷの中心を通過する位置に配置することが好ましい。
【０１０３】
センサユニット１５２は、図１８に示すように、光源１６１と、光源１６１からの光を半導体ウェハＷの被研磨面に照射する発光部としての発光光ファイバ１６２と、被研磨面からの反射光を受光する受光部としての受光光ファイバ１６３と、受光光ファイバ１６３により受光された光を分光する分光器とこの分光器により分光された光を電気的情報として蓄積する複数の受光素子とを内部に有する分光器ユニット１６４と、光源１６１の点灯および消灯や分光器ユニット１６４内の受光素子の読取開始のタイミングなどの制御を行う制御部１６５と、制御部１６５に電力を供給する電源１６６とを備えている。光源１６１および分光器ユニット１６４には、制御部１６５を介して電力が供給される。
【０１０４】
発光光ファイバ１６２の発光端と受光光ファイバ１６３の受光端は、半導体ウェハＷの被研磨面に対して略垂直になるように構成されている。また、発光光ファイバ１６２および受光光ファイバ１６３は、研磨パッド４０を交換するときの作業性や受光光ファイバ１６３による受光量を考慮して、研磨テーブル１８の表面の研磨面よりも上方に突出しないように配置されている。分光器ユニット１６４内の受光素子としては、例えば１２８素子のフォトダイオードアレイを用いることができる。
【０１０５】
分光器ユニット１６４は、ケーブル１６７を介して制御部１６５に接続されている。分光器ユニット１６４内の受光素子からの情報は、ケーブル１６７を介して制御部１６５に送られ、この情報に基づいて反射光のスペクトルデータが生成される。すなわち、本実施形態における制御部１６５は、受光素子に蓄積された電気的情報を読み取って反射光のスペクトルデータを生成するスペクトルデータ生成部を構成している。制御部１６５からのケーブル１６８は、研磨テーブル１８内を通り、上述したモニタ装置に接続されている。このようにして、制御部１６５のスペクトルデータ生成部で生成されたスペクトルデータは、ケーブル１６８を介してモニタ装置５３（図２参照）に送信される。
【０１０６】
モニタ装置５３では、制御部１６５から受信したスペクトルデータに基づいて、膜厚や色合いなどのウェハＷの表面の特性値を算出して、これをモニタ信号として上述した制御部５３ａ（図２参照）に提供する。
【０１０７】
図１８に示すように、研磨テーブル１８の外周部の下面には近接センサ１７０が取付けられており、この近接センサ１７０に対応して研磨テーブル１８の外方にセンサターゲット１７１が設置されている。近接センサ１７０は、研磨テーブル１８が１回転するたびにセンサターゲット１７１を検知し、研磨テーブル１８の回転角度を検知する。
【０１０８】
図１９は、マイクロ波センサを備えた研磨ユニットを示す模式図である。図１９に示すように、この研磨ユニットにおいては、研磨テーブル１８の内部に、マイクロ波を半導体ウェハＷの被研磨面に向けて照射するアンテナ２５２が埋設されている。このアンテナ２５２は、トップリング２０に保持された半導体ウェハＷの中心位置に対向するように配置されており、導波管２５３を介してセンサ本体２５４に接続されている。導波管２５３は短い方が好ましく、アンテナ２５２とセンサ本体２５４とを一体的に構成してもよい。
【０１０９】
図２０は、図１９に示すアンテナ２５２およびセンサ本体２５４を示す模式図である。センサ本体２５４は、マイクロ波を生成してアンテナ２５２にマイクロ波を供給するマイクロ波源２５５と、マイクロ波源２５５により生成されたマイクロ波（入射波）と半導体ウェハＷの表面から反射したマイクロ波（反射波）とを分離させる分離器２５６と、分離器２５６により分離された反射波を受信して反射波の振幅および位相を検出する検出部２５７と、検出部２５７により検出された反射波の振幅および位相に基づいて半導体ウェハＷの構造を解析するモニタ装置２５８とを備えている。分離器２５６としては、方向性結合器が好適に用いられる。
【０１１０】
アンテナ２５２は導波管２５３を介して分離器２５６に接続されている。マイクロ波源２５５は分離器２５６に接続され、マイクロ波源２５５により生成されたマイクロ波は、分離器２５６および導波管２５３を介してアンテナ２５２に供給される。マイクロ波はアンテナ２５２から半導体ウェハＷに向けて照射され、研磨パッド４０を透過（貫通）して半導体ウェハＷに到達する。半導体ウェハＷからの反射波は、再び研磨パッド４０を透過した後、アンテナ２５２により受信される。
【０１１１】
反射波はアンテナ２５２から導波管２５３を介して分離器２５６に送られ、分離器２５６によって入射波と反射波とが分離される。分離器２５６には検出部２５７が接続されており、分離器２５６により分離された反射波は検出部２５７に送信される。検出部２５７では反射波の振幅および位相が検出される。反射波の振幅は電力（ｄｂｍまたはＷ）もしくは電圧（Ｖ）の値として検出され、反射波の位相は検出部２５７に内蔵された位相計測器（図示せず）により検出される。位相計測器を設けずに反射波の振幅のみを検出部で求めるようにしてもよく、また、反射波の位相のみを位相計測器で求めるようにしてもよい。
【０１１２】
モニタ装置２５８では、検出部２５７によって検出された反射波の振幅および位相に基づいて、半導体ウェハＷ上に成膜された金属膜や非金属膜などの膜厚が解析される。モニタ装置２５８には制御部５４が接続されており、モニタ装置２５８で得られた膜厚の値がモニタ信号として制御部５４に送られる。
【０１１３】
図２１は、上述した光学式センサを用いて酸化膜のような透光性を有する膜を測定する場合のモニタ信号の変化を示したグラフである。この場合、モニタ信号は、時間に関して正弦波状に変化するため、モニタ信号の値が与えられても、基準信号の対応する点は一義的には定まらない。しかしながら、通常、初期膜厚の範囲は限られているため、信号の極値を区切りとして、あるいは、信号の増減によって、基準信号の時間軸上に区間を定義すれば、初期膜厚がどの区間に対応するか判別することができ、モニタ信号値の基準信号への対応づけが可能となる。
【０１１４】
例えば、図２１において、基準信号ＲＳ１１の極大値間にそれぞれ２つの区間を割り当てる。一の極大値が現れたときの膜の膜厚と次の極大値が現れたときの膜の膜厚との差Δｄは、光の波長をλ、膜の屈折率をｎとして、Δｄ＝λ／２ｎと表される。初期膜厚が２区間の範囲内、例えば、区間VIIIから区間IXまたは区間IXから区間Xにあることが分かれば、その時点で初期膜厚が基準信号ＲＳ１１上のどの位置に相当するかを特定できる。
【０１１５】
このようにして初期膜厚を特定した後は、モニタ信号ＭＳ３が基準信号ＲＳ１１に収束するように制御することで、上述したように、ウェハの残膜量の制御が可能になる。さらに、図１７を参照して説明したのと同様の方法により、直線Ｌを用いてモニタ信号ＭＳ３を概略直線的に減少する新たなモニタ信号ＭＳ４に変換することもでき、簡単に良好な制御性能を得ることができる。
【０１１６】
図１７の最初の区間および図２１の極大点および極小点付近においては、基準信号の傾きが０に近く、ノイズ等の影響により相対的に不安定になって、モニタ信号の値に対応する基準信号上の点を精度よく求められないことがある。このような場合には、新たなモニタ信号は不定とし、この区間は制御を休止し、押圧力などの操作量は直前の値を継続して使用するのがよい。上述の方法では、基準信号は全区間において変換可能であるため、制御を休止する区間は新たなモニタ信号が不定の区間またはその付近に限られる。したがって、図２１に示すように、モニタ信号が研磨時間に応じて増減する場合においても、操作タイミングを適当に設定することにより、良好な制御性能を期待することができる。
【０１１７】
あるいは、増減を繰り返すモニタ信号の極大値または極小値が現れる時刻に着目して、ウェハの各部位（領域）に対する押圧力を決定してもよい。すなわち、着目する部位におけるモニタ信号が極大点または極小点に達する時刻を各部位について計測し、この到達時刻が他の部位に比べて早い部位に対応する領域に対する押圧力を小さく、到達時刻が他の部位に比べて遅い部位に対応する領域に対する押圧力は大きくする。ウェハの表面上のパターンの影響などによって、同一膜厚に対するモニタ信号の値がばらつく場合にも、良好な制御性能を期待することができる。この場合において、基準信号が極大点または極小点に達する時刻を基準に、モニタ信号が極大点または極小点に達する時刻が遅いか早いかを判断することも可能であるが、基準信号を設定せずに、各部位におけるモニタ信号が極大点または極小点に達する時刻の相対的な関係に応じて押圧力を調整して、面内均一性を向上させることもできる。
【０１１８】
図２２は、本発明に係る制御演算方法を説明するためのグラフである。図２２においては、図１７および図２１を参照して説明したモニタ信号の変換方法が用いられている。研磨開始後の時刻ｔにおける新しい基準信号ｙｓ（ｔ）は、以下の式（２）で表される。
ｙｓ（ｔ）＝Ｔ０−ｔ …（２）
上記式（２）において、Ｔ０は基準信号における研磨開始から研磨終点までの時間である。
【０１１９】
この例において、Ｔ０は、基準信号を上述した３通りのうちの前２通りのいずれかの方法で時間軸に関して平行移動した基準信号に対するもの（図１３、図１４参照）である。図１５に示す例の場合には、右辺はその時点の各部位のモニタ信号を平均化した値になる。このとき、全ての場合において、ｔｏを所定の時間として、時刻ｔからｔｏ経過後のウェハの各部位におけるモニタ信号の予測値ｙｐ（ｔ，ｔｏ）は、以下の式（３）で表される。
ｙｐ（ｔ，ｔｏ）＝ｙ（ｔ）＋ｔｏ・｛ｙ（ｔ）−ｙ（ｔ−Δｔｍ）｝／Δｔｍ …（３）
上記式（３）において、ｙ（ｔ）は時刻ｔにおけるモニタ信号、Δｔｍはモニタ信号の時間変化に対する傾きを算出するために定められた時間である。
【０１２０】
このとき、時刻ｔからｔｏ経過後のモニタ信号の予測値の、基準信号に対する不一致度Ｄ（ｔ，ｔｏ）を以下の式（４）のように定義する。
Ｄ（ｔ，ｔｏ）＝−｛ｙｐ（ｔ，ｔｏ）−ｙｓ（ｔ＋ｔｏ）｝／ｔｏ …（４）
【０１２１】
式（４）で表される不一致度Ｄが正であればモニタ信号が基準信号に対して進み気味であることを意味し、負であれば遅れ気味であることを意味する。
【０１２２】
図２２に示すように、周期Δｔの各時点ｔにおいて、常にモニタ信号の予測値が基準信号に一致すれば、モニタ信号は基準信号に漸近し収束することが期待される。例えば、図２３のように、裏面に押圧力ｕ３が加えられるウェハの領域Ｃ３の不一致度をＤ３、領域Ｃ３に隣接する領域Ｃ２，Ｃ４の不一致度をそれぞれＤ２，Ｄ４として、押圧力ｕ３の変化量Δｕ３を決定することを考える。図２４は、このような押圧力ｕ３の変化量Δｕ３を決定するためのファジィルールの一例である。また、図２５は、図２４のファジィルールに、さらにウェハと摺動した直後の研磨パッドの部位の温度Ｔｐを考慮した場合のファジィルールの一例である。図２４および図２５において、“Ｓ”は「小さい」、“Ｂ”は「大きい」を意味し、“ＰＢ”は「大きく増やす」、“ＰＳ”は「少し増やす」、“ＺＲ”は「変えない」、“ＮＳ”は「少し減らす」、“ＮＢ”は「大きく減らす」を意味する。
【０１２３】
図２４のファジィルールに示すように、押圧力の変化量Δｕ３は、対応する領域Ｃ３の不一致度Ｄ３や押圧力ｕ３自体が小さいほど大きく増加させ、また、領域Ｃ３と隣り合う領域Ｃ２，Ｃ４の不一致度Ｄ２，Ｄ４が小さい場合にも増やす方向に調整する。互いに独立なその他の領域の押圧力、これに対応する領域の不一致度、押圧力の変化量に対しても、それぞれ同様な考え方でファジィルールを定めれば、押圧力を極端に大きい値または小さい値に変更することなく、すべての不一致度が零に収束するように制御を行うことができる。
【０１２４】
多くの場合、研磨パッドの温度が高いほど研磨レートが上昇し、これによりさらに温度が上昇し易い。したがって、図２５に示す例では、研磨パッドの温度Ｔｐが低いほど押圧力ｕ３の変化量Δｕ３を大きく、温度Ｔｐが高いほど変化量Δｕ３を小さく設定している。
【０１２５】
図２６は、図２４および図２５の前件部変数（Ｄ２〜Ｄ４、ｕ３、Ｔｐ等）に対するメンバシップ関数を示すグラフであり、図２７は、後件部変数（Δｕ３等）に対するメンバシップ関数を示すグラフである。図２６の前件部変数軸上の点Ｓ１，Ｓ２を変更することで、当該変数に関する大小の判断基準を変えることができる。また、図２７の後件部変数軸上の係数Ｓ３を変更することで、操作量Δｕ３の感度（前件部変数が等しい場合の操作量の大小）を調節することができる。
【０１２６】
本発明に適用できるファジィルールは、図２４および図２５に示したものに限られるものではなく、系の特性に応じて任意に定義することができる。また、前件部変数、後件部変数に対するメンバシップ関数も任意に定義でき、論理積法、含意法、集積法、非ファジィ化法等の推論の方法も適宜選択して用いることができる。
【０１２７】
上述した例では、不一致度の予測値を求めて推論を行う予測型のファジィ制御を利用している。センサがウェハの被研磨面の情報を取り込んでから実際に押圧力が完全に新しい値に置き換わって研磨状態が変化し、センサの出力値が完全に変わるまでには、センサからモニタ装置への出力信号の転送、モニタ信号への変換と平滑化、押圧力の演算、制御部５４への転送、圧力調整部４５（図２参照）への指令、押圧機構（圧力室）の動作など多くのステップが必要とされる。したがって、操作量の変更が完全に信号波形に反映されるまでには、通常１、２秒から１０秒程度を要する。このように応答遅れの影響を抑えて効果的な制御を行うために、予測型の制御は有効である。
【０１２８】
予測型の制御の方法としては、上述したファジィ制御だけではなく、例えば、適当な数学モデルを定義してモデル予測制御を行ってもよい。上述した応答遅れを含めてモデル化することにすれば、更なる制御性能の向上を期待することができる。なお、このような系においては、制御周期を短くしても、モニタ信号に操作量の変化が十分に反映される前に次の操作を行ってしまうことになり、意味がないだけでなく、不要な操作量の変化やこれによる信号値の変動を引き起こしてしまうおそれがある。研磨時間は、通常数十秒から数百秒程度であるから、制御周期を長くし過ぎると面内均一性が達成される前に研磨終点に達してしまう。したがって、制御周期は１秒以上１０秒以下であることが好ましい。
【０１２９】
予測型の制御の方法としてモデル予測制御を用いる場合には、各制御周期において、次のような形式の条件で、現ステップの操作量として各領域押圧力が決定される。
Ｊ＝‖ＹＲ−ＹＰ‖２＋λ２‖ΔＵＱ‖２ → 最小
第１項は次ステップから第Ｐステップまでの参照軌跡ＹＲと予測応答ＹＰの差に対応し、第２項は現ステップから第Ｑステップまでの操作量の変化（増分）に対応する。第２項の係数λ２を大きくすれば、操作量増分の重みが増して操作量の変化が小さくなり、逆に、小さくすれば操作量の変化が大きくなる。すなわち、１／λ２は操作量の感度と見なせる。
【０１３０】
図２８および図２９は、上述のようにして、制御演算によりウェハの各領域の押圧力の変化量を求めたとき、いずれかの領域で押圧力（＝現在値＋変化量）が所定の上下限値を超えた場合に行うスケーリングを説明するためのグラフである。
【０１３１】
本発明に係る制御においては、ウェハの面内均一性に着目するため、上下限値を超えた領域の押圧力だけ単純に上下限値の範囲内に収めたのでは、領域間のバランスが崩れて良好な制御性能を期待することができない。したがって、図２８に示す例では、押圧力の基準値を設け、各領域の押圧力（＝現在値＋変化量）と基準値との差（図２８において矢印で示す）の各領域間の比率が、スケーリング後も保持されるように変化量を調整する。押圧力の基準値は、上下限値の平均値であってもよいし、あるいは予め標準的な値であってもよい。このようなスケーリングによって、各領域の押圧力の分布を制御演算で求めた所望の分布と概略一致させることができる。
【０１３２】
図２９に示す例では、現時点における押圧力からの変化量に着目して、変化量（図２９において矢印で示す）の各領域間の比率が、スケーリング後も保持されるように変化量を調整する。現時点までの制御が概ね良好に推移しているとすれば、押圧力の変化量をこのようにスケーリングすることで良好な制御を実現できる。なお、図２８および図２９においては、領域Ｃ１〜Ｃ４の上限値および下限値がすべて等しいとしているが、上限値および下限値は領域ごとに異なる値を設定してもよい。
【０１３３】
以上では、各領域の押圧力に上下限値が設定された場合の押圧力のスケーリング法について述べたが、隣り合う領域の押圧力の差に上限値が設定された場合や、各領域の押圧力の変化量（増分）に上下限値が設定された場合にも、同様の考え方で押圧力をスケーリングすることができる。また、押圧力の変化量に上下限値が設定された場合には、押圧力の変化量に対する制御演算値が上下限値を超える度に、前述の操作量の感度Ｓ３や１／λ２を小さ目に調節して、変化量が制限内に入るまで制御演算を繰り返してもよい。
【０１３４】
図３０Ａおよび図３０Ｂは、上述した制御方法によって、ウェハに対する押圧力を制御する場合のシミュレーション結果である。図３０Ａにおいて、モニタ信号は、初期値（最大値）を１、終値（最小値）を０として正規化している。図３０Ｂにおいて、押圧力は初期値を１として正規化している。図３０Ａおよび図３０Ｂに示す例では、研磨開始後５０秒付近で各部位のモニタ信号値は収束し、ウェハの各領域の押圧力も概ね一定値に近づく。押圧力は、さらに８０秒付近で完全に収束している。そして、９５秒付近で、信号値は０に達して研磨終点を示し、以後一定値を取る。
【０１３５】
このように、制御が良好に行なわれると、各領域の押圧力は一定値に収束することが期待される。そこで、モニタ信号の値に閾値を設け、研磨終点より所定の時間前に閾値を用いて制御を停止し、各領域に対する押圧力はその時点の値を保持するようにする。このようにすれば、研磨終点付近において、押圧力が変化することなく安定した研磨が保証され、ディッシング等の研磨上の懸念がなくなる。
【０１３６】
さらに、研磨終了後において、このときの各領域に対する押圧力の値を記憶装置に格納し、次の同一仕様のウェハを研磨する際にこの保存された押圧力の値を使うことができる。このようにすれば、研磨初期に標準的な押圧力を加えることができ、研磨中の不要な押圧力の変化を抑止できる。特に研磨前のウェハの面内均一性がよい場合には、研磨中ほとんど押圧力を変化させることなく、極めて安定した研磨を実現できる。
【０１３７】
あるいは、初期の面内均一性がよい場合には、このような制御の特性を、初期の研磨条件の決定に用いることもできる。従来は、プロセスエンジニアがウェハの研磨と単体測定器による膜厚分布の測定を繰り返しながら、ウェハの各領域やリテーナリングに加える押圧力などの研磨条件を試行錯誤で決定し、レシピを作成していた。このため、多大な工数を要すると共に、トライアル用に多数のウェハが必要であった。本発明に係る研磨方法をこのようなプロセス立上に活用することにより、生産ウェハの研磨中には安全のため押圧力などの研磨条件を動的に変更することが許されない場合においても、速やかに研磨条件を決定することができ、プロセスエンジニアの負荷軽減とトライアル用ウェハの節約が実現できる。
【０１３８】
生産用ウェハの研磨時においては、上述したセンサと同一のもので取得したセンシング信号に基づいてモニタ信号を生成し、これに基づいて終点検出を行うこともできる。モニタ信号は、上述した制御に用いられるものであっても、あるいは他の変換により生成されたものであってもよい。図３０Ａに示す例のように、研磨終点付近では、各領域のモニタ信号は概ね等しい値を取り、面内均一性がよい。したがって、オーバポリッシュ時間を短く取っても金属膜の研磨残りがないことが保証され、過研磨によるディッシングやエロージョンなどの弊害を回避できる。同様にして、透光性の層間絶縁膜のような場合には、面内均一性を向上させた上で所定の膜厚で正確に研磨を停止することができる。さらに、新たなハードウェアを必要としないので、本発明は経済的である。
【０１３９】
本発明に係る研磨方法は、複数の段階からなる研磨工程にも適用できる。図３１は、１枚のウェハに対してＮ段階からなる研磨工程を行う場合のシステム流れを示したブロック図である。各段階においては、研磨面のドレッシング等の研磨動作以外の動作が含まれてもよい。また、各段階に対して、それぞれ独立に研磨条件（研磨テーブルやトップリングの回転速度、研磨液、トップリングによる押圧力等）を設定することができる。さらに、研磨工程のすべての段階に対して本発明に係る研磨方法を適用してもよいし、あるいは、必要な段階だけに対して本発明に係る研磨方法を適用してもよい。
【０１４０】
モニタ装置５３内の制御部５３ａは、通常停止状態にある。そして、研磨対象であるウェハがトップリングに装着され研磨テーブル上に移動して研磨準備が完了すると、制御部５４から起動指令が出されて、制御部５３ａはハードディスクなどの記憶装置からこのウェハに関する制御パラメータや基準信号などの必要情報を読み込んで、停止状態から休止状態に移行する。
【０１４１】
第１段階の研磨を開始する時点で、制御部５４からモニタ装置５３に初期化指令が送信され、制御部５３ａは、第１段階の研磨に関する必要情報を演算ルーチンに引き渡し、演算ルーチン内のメモリを初期化して、休止状態から実行状態に移行する。
【０１４２】
その後、モニタ装置５３内の制御部５３ａでは、所定のタイミングで演算ルーチンが作動して、センサの出力信号を基に、モニタリング部５３ｂによって生成されたモニタ信号ＭＳに対して演算処理を行い、ウェハに対する押圧力等を計算する。計算された押圧力は、制御部５４を介して、トップリングの押圧力を調整する圧力調整部４５に送信される。その後、第１段階の研磨終了時には、制御部５４からモニタ装置５３に中断指令が送信され、制御部５３ａは実行状態から休止状態に移行する。上述のように、モニタ装置５３内でモニタリングや終点検出の演算だけでなく、制御演算も行うことにより、ハードウェアを追加することなしに、ＣＭＰ装置側へのデータ転送量の小さいシステムを構成することができる。
【０１４３】
以後、本発明に係る研磨方法を適用する各段階において、同様の処理が行なわれて実行状態から休止状態までの処理が繰り返される。最後の段階における研磨終了時には、制御部５４からモニタ装置５３に終了指令が送信され、制御部５３ａは休止状態から停止状態に移行する。上述した例では、トップリングの押圧力を制御する例を示したが、トップリングの押圧力に加えてリテーナリングの押圧力を制御することもできる。
【０１４４】
上述の実施形態においては、研磨装置の例について説明したが、本発明は他の基板処理装置にも適用できる。例えば、めっき装置や化学蒸着（ＣＶＤ）装置にも本発明を適用することができる。
【０１４５】
図３２は本発明を適用することができるめっき装置の一例を示す縦断面図、図３３は図３２に示すめっき装置のアノードの平面図である。図３２および図３３に示すように、このめっき装置は、揺動アーム３００と、揺動アーム３００の自由端にボールベアリング３０２を介して連結したハウジング３０４と、このハウジング３０４の下端開口部を塞ぐように配置された含浸体３０６とを備えている。含浸体３０６は、保水性材料から形成されている。
【０１４６】
ハウジング３０４の下部には、内方突出部３０４ａが、含浸体３０６の上部にはフランジ部３０６ａがそれぞれ設けられ、含浸体３０６のフランジ部３０６ａをハウジング３０４の内方突出部３０４ａに引っ掛け、さらにスペーサ３０８をフランジ部３０６ａの上面に介装することで、ハウジング３０４内に含浸体３０６が保持されている。これにより、ハウジング３０４の内部にめっき液室３１０が形成される。
【０１４７】
揺動アーム３００は、サーボモータからなる上下動モータ３１２とボールねじ３１４を介して上下動するように構成されている。この上下機構は空気圧アクチュエータであってもよい。ウェハＷはウェハホルダ３１６で保持され、ウェハＷの周縁部にシール材３１８とカソード電極３２０が当接するようになっている。
【０１４８】
含浸体３０６は、アルミナ、ＳｉＣ、ムライト、ジルコニア、チタニア、コージライト等の多孔質セラミックスまたはポリプロピレンやポリエチレンの焼結体等の硬質多孔質体、あるいはこれらの複合体、さらには織布や不織布で構成される。例えば、アルミナ系セラミックスにあっては、ポア径３０〜２００μｍ、ＳｉＣにあっては、ポア径３０μｍ以下のものを使用するのがよく、含浸体３０６は、気孔率２０〜９５％、厚み１〜２０ｍｍ、好ましくは５〜２０ｍｍ、さらに好ましくは８〜１５ｍｍ程度であることが好ましい。例えば、含浸体３０６は、気孔率３０％、平均ポア径１００μｍでアルミナ製の多孔質セラミックス板から構成される。含浸体３０６の内部にめっき液を含有させることで、めっき液の電気伝導率より小さい電気伝導率を有するように構成されている。すなわち、多孔質セラミックス板自体は絶縁体であるが、この内部にめっき液を複雑に入り込ませ、厚さ方向にかなり長い経路を辿らせることで、含浸体３０６がめっき液の電気伝導率より小さい電気伝導率を有するように構成されている。
【０１４９】
このように含浸体３０６をめっき液室３１０内に配置し、この含浸体３０６によって大きな抵抗を発生させることで、シード層等のウェハの表面のシート抵抗の影響を無視できる程度にして、ウェハの表面のシート抵抗による電流密度の面内差を小さくして、めっき膜の面内均一性を向上させることができる。
【０１５０】
めっき液室３１０内には、めっき液導入管３２２が配置されており、この下面にはアノード３２４が取付けられている。めっき液導入管３２２にはめっき液導入口３２２ａが設けられ、このめっき液導入口３２２ａは、めっき液供給源（図示せず）に接続されている。ハウジング３０４の上面にはめっき液排出口３０４ｂが設けられている。
【０１５１】
めっき液導入管３２２は、被めっき面に均一にめっき液を供給できるように、マニホールド構造が採用されている。すなわち、めっき液導入管３２２の長手方向に沿った所定の位置に、めっき液導入管３２２の内部に連通する多数の細管（図示せず）が連結されている。アノード３２４および含浸体３０６のこの細管に対応する位置には細孔が設けられ、細管は、これらの細孔内を下方に延びて、含浸体３０６の下面または下面付近に達している。
【０１５２】
めっき液導入管３２２から導入されためっき液は、細管を通過して含浸体３０６の下方に達し、この含浸体３０６の内部を通過してめっき液室３１０内を満たしてアノード３２４をめっき液中に浸漬させる。また、めっき液排出口３０４ｂを通してめっき液は吸引される。アノード３２４の内部に、上下に連通する多数の貫通孔を設け、めっき液室３１０内に導入しためっき液が貫通孔内を流通して含浸体３０６に達するようにしてもよい。
【０１５３】
アノード３２４は、スライムの生成を抑制するため、一般に、含有量が０．０３〜０．０５％のリンを含む銅で構成される。この実施形態では、アノード３２４として、例えば、白金、チタン等の不溶解性金属あるいは金属上に白金等をめっきした不溶解性電極からなる不溶解アノードが使用されている。アノード３２４として、不溶解アノードを用いることで、アノード３２４の溶解による形状変化を防止して、アノード３２４を交換することなく、常に一定の放電状態を維持することができる。
【０１５４】
図３３に示すように、アノード３２４は、この例では、同心状に４つに分割した分割アノード３２４ａ〜３２４ｄから構成され、この分割アノード３２４ａ〜３２４ｄの隣接する分割面の間にリング状の絶縁体３２６ａ〜３２６ｃが介装されている。つまり、アノード３２４は、中央に位置する中実円板状の第１分割アノード３２４ａ、第１分割アノード３２４ａの周囲を囲繞する環状の第２分割アノード３２４ｂ、第２分割アノード３２４ｂの周囲を囲繞する環状の第３分割アノード３２４ｃ、および第３分割アノード３２４ｃの周囲を囲繞する環状の第４分割アノード３２４ｄからなる。第１分割アノード３２４ａと第２分割アノード３２４ｂの間、第２分割アノード３２４ｂと第３分割アノード３２４ｃの間、および第３分割アノード３２４ｃと第４分割アノード３２４ｄの間に、環状の絶縁体３２６ａ〜３２６ｃがそれぞれ介装され、これらの分割アノード３２４ａ〜３２４ｄおよび絶縁体３２６ａ〜３２６ｃが同一平面上に配置されている。
【０１５５】
図３２に示すように、カソード電極３２０はめっき電源３２８の陽極に、アノード３２４はめっき電源３２８の陰極にそれぞれ電気的に接続される。このめっき電源３２８には整流器３３０が接続されており、この整流器３３０は、流れる電流の向きを任意に変更し、第１分割アノード３２４ａとウェハの被めっき面、第２分割アノード３２４ｂとウェハの被めっき面、第３分割アノード３２４ｃとウェハの被めっき面、および第４分割アノード３２４ｄとウェハの被めっき面に供給される電圧または電流を個別かつ任意に調整する。
【０１５６】
例えば、めっき初期において、（第４分割アノード３２４ｄ＜第３分割アノード３２４ｃ＜第２分割アノード３２４ｂ＜第１分割アノード３２４ａの順に）アノード３２４の中央部側の方が、その周囲よりも電流密度が高くなるよう調整してウェハＷの中央部にもめっき電流を流し、しかも、内部にめっき液を保持した含浸体３０６に大きな抵抗を発生させ、ウェハ表面のシート抵抗の影響を無視できる程度となすことと相俟って、より高いシート抵抗をもつウェハに対しても、ウェハ表面のシート抵抗による電流密度の面内差を小さくして、より均一な膜厚のめっき膜を確実に形成することができる。
【０１５７】
図３２に示すように、含浸体３０６には、分割アノード３２４ａ〜３２４ｄに対応した位置に、ウェハ表面の膜厚を計測するセンサ３５２が配置されている。これらのセンサ３５２としては、渦電流センサや光学式センサをはじめとする各種センサを用いることができる。これらのセンサ３５２によりウェハ表面の膜厚を計測し、この膜厚が上述した基準信号に収束するように各分割アノード３２４ａ〜３２４ｄに印加する電圧が制御される。
【０１５８】
図３４は、本発明を適用することができるＣＶＤ装置の一例を示す縦断面図である。図３４に示すように、ＣＶＤ装置は、成膜室４００と、成膜室４００の上部に配置されたガス噴出ヘッド４０２と、成膜室４００の内部に配置されたホットプレート４０４とを備えている。ホットプレート４０４は、内部にヒータ４０６と、ウェハ載置部直下の温度を測定する温度センサ４０８とを備えている。
【０１５９】
成膜室４００には、ウェハＷの搬入および搬出を行う搬入出口４００ａと、内部の排気を行う排気口４００ｂが設けられている。搬入出口４００ａには、排気口４００ｂを介して成膜室４００内を１３．３３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下の低圧に維持できるよう、ゲート４１０が設けられている。
【０１６０】
ガス噴出ヘッド４０２は、多数のガス噴出口４０２ａを有する板状のノズル板４０２ｂと、原料ガスやラジカル等のプロセスガスを導入するためのガス導入口４０２ｃと、ガス置換用のガス排出口４０２ｄとを備えている。
【０１６１】
ホットプレート４０４とガス噴出ヘッド４０２の間に、高周波電源４１２から高周波（例えば１３．５ＭＨｚや６０ＭＨｚ）電圧を印加し、ホットプレート４０４とガス噴出ヘッド４０２の間の空間にプラズマを発生させ、付着物のクリーニング用等に利用してもよい。
【０１６２】
上記構成のガス噴出ヘッド４０２において、ヘッド室４０２ｅ内に導入されたプロセスガスは、ノズル板４０２ｂの多数のガス噴出口４０２ａからウェハＷに向かって噴出される。ノズル板４０２ｂの下面には、ガス噴出口４０２ａから噴出するプロセスガスの流れを整流したまま減速させるディフューザ部材４０２ｆが取付けられている。このディフューザ部材４０２ｆは十分長く、ガス噴出口４０２ａから噴出されたプロセスガスは、該ディフューザ部材４０２ｆを出た直後に全体が速やかに均一流になってウェハＷの面上に到達する。ディフューザ部材４０２ｆは、その角度を任意に調整できるよう、駆動装置（図示せず）に連結されている。
【０１６３】
ディフューザ部材４０２ｆの先端には、ウェハ表面の膜厚を計測するセンサ４５２が配置されている。これらのセンサ４５２としては、渦電流センサや光学式センサをはじめとする各種センサを用いることができる。これらのセンサ４５２によりウェハ表面の膜厚を計測し、この膜厚が上述した基準信号に収束するように、各ディフューザ部材４０２ｆの角度とプロセスガスの流量が制御される。
【０１６４】
図３５は、本発明を適用することができるＣＶＤ装置のガス噴出ヘッド５００を示す縦断面図である。図３５に示すように、ガス噴出ヘッド５００は２個のガス噴出ノズル体５０１，５０２を備え、これら２個のガス噴出ノズル体５０１，５０２は成膜室（図示せず）内に配置されたサセプタ５０４に載置された１枚のウェハＷの上方を矢印Ｃに示すように往復動する。各ガス噴出ノズル体５０１，５０２の底面には多数のガス噴出口が設けられ、各ガス噴出ノズル体５０１，５０２に所定のプロセスガスＧを供給することにより、ガス噴出口からウェハＷの面上にそれぞれのプロセスガスを噴出する。
【０１６５】
成膜室内を低圧（例えば１３．３３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下）に減圧し、ガス噴出ノズル体５０１に水素または水素ラジカル、ガス噴出ノズル体５０２にＣｕ有機金属材料ガスをそれぞれ供給し、２個のガス噴出ノズル体５０１，５０２を一体で往復動させるか、またはガス噴出ノズル体５０１と５０２とでスピードを変えて往復動させる。また、往路の移動終了時に、供給ガスを切替えて、すなわちガス噴出ノズル体５０１にＣｕ有機金属材料ガス、ガス噴出ノズル体５０２に水素または水素ラジカルを供給し、折返し移動させ、これを繰り返す（１回でもよい）ことにより、ウェハＷ上面にＣｕ薄膜を形成する。
【０１６６】
ガス噴出ノズル体５０１，５０２には、それぞれウェハ表面の膜厚を計測するセンサ５５２が取付けられている。これらのセンサ５５２としては、渦電流センサや光学式センサをはじめとする各種センサを用いることができる。また、センサは双方のガス噴出ノズル体５０１，５０２に取付けられていなくてもよく、どちらかのガス噴出ノズル５０１，５０２にのみ配置されていてもよい。ガス噴出ノズル体５０１，５０２がウェハ上を往復運動することにより、ウェハＷの半径方向の膜厚情報を得ることができる。この膜厚が上述した基準信号に収束するように、各ガス噴出ノズル体５０１，５０２から供給されるガスＧの量が制御される。例えば、基準信号に沿ってウェハＷの全面に均一に膜厚を形成する際には、ガス噴出ノズル体５０１，５０２の往復運動に同期してガス流量を制御する。
【０１６７】
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言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１６８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態における研磨装置を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示す研磨装置における研磨ユニットの一部を示す模式図である。
【図３】図３は、図２に示す研磨ユニットにおけるトップリングを示す縦断面図である。
【図４】図４は、図２に示す研磨ユニットにおけるトップリングを示す底面図である。
【図５】図５は、図２に示す研磨ユニットにおける研磨テーブルと半導体ウェハとの関係を示す平面図である。
【図６】図６は、図２に示す研磨ユニットにおけるセンサが半導体ウェハ上を走査する軌跡を示す平面図である。
【図７】図７は、図６に示す半導体ウェハ上の計測点のうちモニタリングを行う計測点を選択する一例を示す平面図である。
【図８】図８は、ウェハ上の金属膜を研磨したときのモニタ信号の変化を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明に係る研磨方法によるモニタ信号の変化を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本発明に係る基準信号を決定する手順を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、図２に示すセンサの有効計測範囲を示す平面図である。
【図１２】図１２は、本発明に係る基準信号の適用方法の一例を説明するためのグラフである。
【図１３】図１３は、本発明に係る基準信号の適用方法の他の例を説明するためのグラフである。
【図１４】図１４は、本発明に係る基準信号の適用方法の他の例を説明するためのグラフである。
【図１５】図１５は、本発明に係る基準信号の適用方法の他の例を説明するためのグラフである。
【図１６】図１６は、本発明に係る研磨方法によるモニタ信号の変化を示すグラフである。
【図１７】図１７は、本発明に係る基準信号およびモニタ信号の変換方法の一例を説明するためのグラフである。
【図１８】図１８は、光学式センサを備えた研磨ユニットを示す模式図である。
【図１９】図１９は、マイクロ波センサを備えた研磨ユニットを示す模式図である。
【図２０】図２０は、図１９に示すマイクロ波センサを示す模式図である。
【図２１】図２１は、本発明に係る基準信号の適用方法の一例を説明するためのグラフである。
【図２２】図２２は、本発明に係る制御演算方法を説明するためのグラフである。
【図２３】図２３は、本発明に係る予測型制御を説明するための模式図である。
【図２４】図２４は、本発明に係る予測型制御用のファジィルールの一例を示すテーブルである。
【図２５】図２５は、本発明に係る予測型制御用のファジィルールの他の例を示すテーブルである。
【図２６】図２６は、図２４および図２５の前件部変数に対するメンバシップ関数を概念的に示したグラフである。
【図２７】図２７は、図２４および図２５の後件部変数に対するメンバシップ関数を概念的に示したグラフである。
【図２８】図２８は、本発明に係る押圧力のスケーリング方法を説明するためのグラフである。
【図２９】図２９は、本発明に係る押圧力のスケーリング方法を説明するためのグラフである。
【図３０】図３０Ａおよび図３０Ｂは、本発明に係る研磨方法のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図３１】図３１は、本発明に係る研磨方法を複数の段階からなる研磨工程に適用した例を示す模式図である。
【図３２】図３２は、本発明を適用することができるめっき装置の一例を示す縦断面図である。
【図３３】図３３は、図３２に示すめっき装置のアノードの平面図である。
【図３４】図３４は、本発明を適用することができるＣＶＤ装置の一例を示す縦断面図である。
【図３５】図３５は、本発明を適用することができるＣＶＤ装置の他の例を示す縦断面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨面を有する研磨テーブルと、
基板上の少なくとも１つの領域に対する押圧力を制御しつつ前記基板を前記研磨面に押圧するトップリングと、
前記基板上の少なくとも１つの計測点における基板状態を監視するセンサと、
前記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、
前記モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す基準信号を格納した記憶装置と、
前記計測点におけるモニタ信号と前記基準信号とを比較し、前記計測点におけるモニタ信号が前記基準信号に収束するように、前記トップリングによる押圧力を制御する制御部と、
を備えた、研磨装置。
【請求項２】
前記トップリングは、前記基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御し、
前記センサは、前記基板上の複数の計測点における基板状態を監視する、請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】
前記トップリングは、前記基板の複数の領域に対して独立して押圧力を与える複数の圧力室を備えた、請求項２に記載の研磨装置。
【請求項４】
前記制御部は、研磨開始時に前記複数の計測点におけるモニタ信号を平均化した値を求め、研磨開始時における基準信号が前記平均化した値と一致するように、前記基準信号を時間に関して平行移動する、請求項２または３に記載の研磨装置。
【請求項５】
前記制御部は、研磨工程の任意の時刻において前記複数の計測点におけるモニタ信号を平均化した値を求め、該時刻における基準信号が前記平均化した値と一致するように、該時刻以降の基準信号を時間に関して平行移動する、請求項２または３に記載の研磨装置。
【請求項６】
前記制御部は、研磨開始時における基準信号が該研磨開始時の前記基板上の所定の計測点におけるモニタ信号と一致するように、前記基準信号を時間に関して平行移動する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項７】
前記制御部は、研磨工程の任意の時刻において基準信号が該時刻における前記基板上の所定の計測点におけるモニタ信号と一致するように、該時刻以降の基準信号を時間に関して平行移動する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項８】
前記制御部は、研磨時間が所望の時間となるように、研磨開始時に前記基準信号を時間に関して平行移動する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項９】
前記制御部は、研磨工程の任意の時刻において、前記モニタ信号の値と一致する前記基準信号上の時刻を求め、前記基準信号上の一致する時刻から前記基準信号が所定の値となる基準時刻までの時間を求める、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記基準信号は、前記基板上に形成された膜の種類、積層構造、配線構造、研磨液の物性、前記研磨面の温度、前記基板の温度、前記研磨面を構成する研磨工具の厚さのうち少なくとも１つをパラメータとして設定された信号である、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１１】
前記基準信号として、現在研磨に使用されている研磨面による過去の研磨工程において得られたモニタ信号または交換前の他の研磨面による過去の研磨工程の初期に得られたモニタ信号を用いる、請求項１から３のいずれかに記載の研磨装置。
【請求項１２】
前記制御部は、予測型制御を用いて前記トップリングによる押圧力を制御する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１３】
前記制御部の制御周期は、１秒以上１０秒以下である、請求項１２に記載の研磨装置。
【請求項１４】
前記モニタ装置は、前記基板の外縁部の計測点におけるモニタ信号を制御の対象から除外する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１５】
前記モニタ装置は、前記基板の外縁部の計測点におけるモニタ信号に対して補正を行う、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１６】
前記センサは、渦電流センサ、光学式センサ、およびマイクロ波センサの少なくとも１つである、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１７】
前記センサは、基板の表面の膜厚を測定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１８】
前記研磨テーブルと前記トップリングとの間に相対運動を生じさせる駆動部をさらに備え、
前記センサは、前記研磨テーブルの内部に配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１９】
前記駆動部は、前記研磨テーブルを回転運動させるモータである、請求項１８に記載の研磨装置。
【請求項２０】
前記制御部は、研磨の途中で断続的に制御を休止する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項２１】
前記制御部は、研磨終点に到達する前に制御を終了し、制御終了時点の研磨条件を研磨終点まで保持する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項２２】
前記制御部は、一の基板の研磨の終了時点の研磨条件を別の基板の研磨に対する初期研磨条件として用いる、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項２３】
前記制御部は、前記モニタ装置の信号に基づいて研磨終点を検出する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項２４】
研磨面を有する研磨テーブルと、
基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御しつつ前記基板を前記研磨面に押圧するトップリングと、
前記基板上の複数の計測点における基板状態を監視するセンサと、
前記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、
前記モニタ信号に基づいて前記トップリングによる押圧力を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記複数の領域のうち少なくとも１つの領域に対する押圧力が所定の範囲を超えた場合に、前記複数の領域のすべてに対する押圧力が前記所定の範囲内に納まるように、前記複数の領域に対する押圧力または押圧力の変化量をスケーリングする、研磨装置。
【請求項２５】
研磨面を有する研磨テーブルと、
基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御しつつ前記基板を前記研磨面に押圧するトップリングと、
前記基板上の複数の計測点における基板状態を監視するセンサと、
前記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、
前記モニタ信号に極値が現れた時刻に基づいて前記トップリングによる押圧力を制御する制御部と、
を備えた、研磨装置。
【請求項２６】
前記基板の表面には非金属膜が形成されている、請求項２５に記載の研磨装置。
【請求項２７】
研磨面を有する研磨テーブルと、
基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御しつつ前記基板を前記研磨面に押圧するトップリングと、
前記基板上の複数の計測点における基板状態を監視するセンサと、
前記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、
前記モニタ信号に基づいて前記トップリングによる押圧力を制御し、前記基板の研磨中に前記複数の領域に対する押圧力の感度を調整する制御部と、
を備えた、研磨装置。
【請求項２８】
基板上の少なくとも１つの計測点における基板状態をセンサにより監視し、
前記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成し、
前記計測点におけるモニタ信号と、前記モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す基準信号とを比較し、
前記計測点におけるモニタ信号が前記基準信号に収束するように、基板上の少なくとも１つの領域に対する押圧力を制御しつつ、前記基板を研磨面に押圧して基板を研磨する、研磨方法。
【請求項２９】
基板上の少なくとも１つの計測点における基板状態を監視し、
前記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成し、
前記計測点におけるモニタ信号と、前記モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す基準信号とを比較し、
前記計測点におけるモニタ信号が前記基準信号に収束するように、基板状態を制御しつつ、前記基板の表面に膜を形成する、処理方法。
【請求項１】
研磨面を有する研磨テーブルと、
基板上の少なくとも１つの領域に対する押圧力を制御しつつ前記基板を前記研磨面に押圧するトップリングと、
前記基板上の少なくとも１つの計測点における基板状態を監視するセンサと、
前記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、
前記モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す基準信号を格納した記憶装置と、
前記計測点におけるモニタ信号と前記基準信号とを比較し、前記計測点におけるモニタ信号が前記基準信号に収束するように、前記トップリングによる押圧力を制御する制御部と、
を備えた、研磨装置。
【請求項２】
前記トップリングは、前記基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御し、
前記センサは、前記基板上の複数の計測点における基板状態を監視する、請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】
前記トップリングは、前記基板の複数の領域に対して独立して押圧力を与える複数の圧力室を備えた、請求項２に記載の研磨装置。
【請求項４】
前記制御部は、研磨開始時に前記複数の計測点におけるモニタ信号を平均化した値を求め、研磨開始時における基準信号が前記平均化した値と一致するように、前記基準信号を時間に関して平行移動する、請求項２または３に記載の研磨装置。
【請求項５】
前記制御部は、研磨工程の任意の時刻において前記複数の計測点におけるモニタ信号を平均化した値を求め、該時刻における基準信号が前記平均化した値と一致するように、該時刻以降の基準信号を時間に関して平行移動する、請求項２または３に記載の研磨装置。
【請求項６】
前記制御部は、研磨開始時における基準信号が該研磨開始時の前記基板上の所定の計測点におけるモニタ信号と一致するように、前記基準信号を時間に関して平行移動する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項７】
前記制御部は、研磨工程の任意の時刻において基準信号が該時刻における前記基板上の所定の計測点におけるモニタ信号と一致するように、該時刻以降の基準信号を時間に関して平行移動する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項８】
前記制御部は、研磨時間が所望の時間となるように、研磨開始時に前記基準信号を時間に関して平行移動する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項９】
前記制御部は、研磨工程の任意の時刻において、前記モニタ信号の値と一致する前記基準信号上の時刻を求め、前記基準信号上の一致する時刻から前記基準信号が所定の値となる基準時刻までの時間を求める、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記基準信号は、前記基板上に形成された膜の種類、積層構造、配線構造、研磨液の物性、前記研磨面の温度、前記基板の温度、前記研磨面を構成する研磨工具の厚さのうち少なくとも１つをパラメータとして設定された信号である、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１１】
前記基準信号として、現在研磨に使用されている研磨面による過去の研磨工程において得られたモニタ信号または交換前の他の研磨面による過去の研磨工程の初期に得られたモニタ信号を用いる、請求項１から３のいずれかに記載の研磨装置。
【請求項１２】
前記制御部は、予測型制御を用いて前記トップリングによる押圧力を制御する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１３】
前記制御部の制御周期は、１秒以上１０秒以下である、請求項１２に記載の研磨装置。
【請求項１４】
前記モニタ装置は、前記基板の外縁部の計測点におけるモニタ信号を制御の対象から除外する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１５】
前記モニタ装置は、前記基板の外縁部の計測点におけるモニタ信号に対して補正を行う、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１６】
前記センサは、渦電流センサ、光学式センサ、およびマイクロ波センサの少なくとも１つである、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１７】
前記センサは、基板の表面の膜厚を測定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１８】
前記研磨テーブルと前記トップリングとの間に相対運動を生じさせる駆動部をさらに備え、
前記センサは、前記研磨テーブルの内部に配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１９】
前記駆動部は、前記研磨テーブルを回転運動させるモータである、請求項１８に記載の研磨装置。
【請求項２０】
前記制御部は、研磨の途中で断続的に制御を休止する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項２１】
前記制御部は、研磨終点に到達する前に制御を終了し、制御終了時点の研磨条件を研磨終点まで保持する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項２２】
前記制御部は、一の基板の研磨の終了時点の研磨条件を別の基板の研磨に対する初期研磨条件として用いる、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項２３】
前記制御部は、前記モニタ装置の信号に基づいて研磨終点を検出する、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項２４】
研磨面を有する研磨テーブルと、
基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御しつつ前記基板を前記研磨面に押圧するトップリングと、
前記基板上の複数の計測点における基板状態を監視するセンサと、
前記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、
前記モニタ信号に基づいて前記トップリングによる押圧力を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記複数の領域のうち少なくとも１つの領域に対する押圧力が所定の範囲を超えた場合に、前記複数の領域のすべてに対する押圧力が前記所定の範囲内に納まるように、前記複数の領域に対する押圧力または押圧力の変化量をスケーリングする、研磨装置。
【請求項２５】
研磨面を有する研磨テーブルと、
基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御しつつ前記基板を前記研磨面に押圧するトップリングと、
前記基板上の複数の計測点における基板状態を監視するセンサと、
前記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、
前記モニタ信号に極値が現れた時刻に基づいて前記トップリングによる押圧力を制御する制御部と、
を備えた、研磨装置。
【請求項２６】
前記基板の表面には非金属膜が形成されている、請求項２５に記載の研磨装置。
【請求項２７】
研磨面を有する研磨テーブルと、
基板上の複数の領域に対する押圧力を独立に制御しつつ前記基板を前記研磨面に押圧するトップリングと、
前記基板上の複数の計測点における基板状態を監視するセンサと、
前記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成するモニタ装置と、
前記モニタ信号に基づいて前記トップリングによる押圧力を制御し、前記基板の研磨中に前記複数の領域に対する押圧力の感度を調整する制御部と、
を備えた、研磨装置。
【請求項２８】
基板上の少なくとも１つの計測点における基板状態をセンサにより監視し、
前記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成し、
前記計測点におけるモニタ信号と、前記モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す基準信号とを比較し、
前記計測点におけるモニタ信号が前記基準信号に収束するように、基板上の少なくとも１つの領域に対する押圧力を制御しつつ、前記基板を研磨面に押圧して基板を研磨する、研磨方法。
【請求項２９】
基板上の少なくとも１つの計測点における基板状態を監視し、
前記センサからの信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成し、
前記計測点におけるモニタ信号と、前記モニタ信号に対する基準値と時間との関係を示す基準信号とを比較し、
前記計測点におけるモニタ信号が前記基準信号に収束するように、基板状態を制御しつつ、前記基板の表面に膜を形成する、処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【公表番号】特表２００８−５０３３５６（Ｐ２００８−５０３３５６Ａ）
【公表日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５１６１９８（Ｐ２００７−５１６１９８）
【出願日】平成１７年６月２０日（２００５．６．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／０１１６７６
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１２３３３５
【国際公開日】平成１７年１２月２９日（２００５．１２．２９）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２０日（２００５．６．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／０１１６７６
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１２３３３５
【国際公開日】平成１７年１２月２９日（２００５．１２．２９）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
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