(57)【要約】【課題】膜の除去などの研磨の変移点を精度よく検知することができ、かつ基板の表面内の局所的な研磨状態を監視することができる研磨装置および研磨方法を提供する。【解決手段】本発明の研磨装置は、研磨面１ａを有する研磨パッド１が取り付けられる研磨テーブル２と、基板Ｗを研磨面１ａに押圧する基板保持部３とを有し、研磨テーブル２と基板保持部３の相対移動により基板Ｗの表面を研磨する。研磨装置は、基板Ｗの表面に接触するターゲット１０と、ターゲット１０の振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定する振動測定部１１と、振動測定部１１によって測定された振幅および周波数の少なくとも一方に基づいて研磨処理を制御する制御部１２とを備える。【選択図】図１
2010064220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨面を有する研磨パッドが取り付けられる研磨テーブルと、
基板を前記研磨面に押圧する基板保持部とを有し、前記研磨テーブルと前記基板保持部の相対移動により基板の表面を研磨する研磨装置であって、
前記基板の表面に接触するターゲットと、
前記ターゲットの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定する振動測定部と、
前記振動測定部によって測定された前記振幅および周波数の少なくとも一方に基づいて研磨処理を制御する制御部とを備えたことを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記振幅および周波数の少なくとも一方が増加または減少して所定の値となったときに、研磨終点に達したと判断することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】
前記基板保持部は、前記基板の複数の領域を独立に押圧する複数の押圧機構を有し、
前記制御部は、前記振動測定部によって測定された前記振幅および周波数の少なくとも一方に基づいて、前記複数の押圧機構の押圧力を制御することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項４】
前記研磨テーブルには、その上面で開口する液体室が設けられ、
前記ターゲットは、前記液体室内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項５】
前記ターゲットは、内部に流体が封入された弾性バッグを備えることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項６】
前記振動測定部は、前記弾性バッグの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定することを特徴とする請求項５に記載の研磨装置。
【請求項７】
前記弾性バッグに供給される流体の圧力を調整する圧力調整機構をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の研磨装置。
【請求項８】
前記振動測定部は、前記弾性バッグに封入された流体の圧力を測定する圧力センサであることを特徴とする請求項５に記載の研磨装置。
【請求項９】
前記ターゲットは、前記基板の表面に接触する接触パッドをさらに有しており、
前記接触パッドは、前記弾性バッグに取り付けられており、
前記振動測定部は、前記接触パッドの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定することを特徴とする請求項５に記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記弾性バッグは光透過性を有する材料から構成されており、
前記弾性バッグを介して前記基板の表面の画像を取得する画像取得手段をさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載の研磨装置。
【請求項１１】
前記画像取得手段によって取得された画像から前記基板の表面の構造を解析する画像解析部をさらに備えていることを特徴とする請求項１０に記載の研磨装置。
【請求項１２】
前記ターゲットと前記基板との接触圧力を調整する接触圧力調整機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項１３】
前記制御部は、前記接触圧力調整機構を介して前記接触圧力を一定に制御することを特徴とする請求項１２に記載の研磨装置。
【請求項１４】
前記振動測定部は、
前記ターゲットの画像を取得する画像取得手段と、
前記画像取得手段によって取得された画像から前記ターゲットの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を解析する画像解析部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項１５】
前記振動測定部は、
前記ターゲットに光を照射する投光部と、
前記ターゲットで反射した光を受光する受光部と、
前記受光部によって受光された光の強さを測定する測定部とを有することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項１６】
前記ターゲットは、前記研磨パッドの一部であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項１７】
前記研磨パッドには切れ込み線が形成されており、前記ターゲットは、前記切れ込み線で囲まれた領域であることを特徴とする請求項１６に記載の研磨装置。
【請求項１８】
前記ターゲットを構成する前記研磨パッドの一部は、他の部分よりも厚さが薄い部分であることを特徴とする請求項１６に記載の研磨装置。
【請求項１９】
前記基板の表面に光を照射し、該基板から戻ってくる反射光の強度を測定する反射強度測定部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項２０】
前記ターゲットが接触する基板の箇所と、前記反射強度測定部が光を照射する基板の箇所とは同一であることを特徴とする請求項１９に記載の研磨装置。
【請求項２１】
前記制御部は、前記振幅および周波数の少なくとも一方と、前記反射光の強度とを選択的に監視することを特徴とする請求項１９に記載の研磨装置。
【請求項２２】
前記研磨テーブルの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定するリファレンス測定部をさらに備え、
前記振動測定部は前記研磨テーブルに設けられ、
前記制御部は、前記振動測定部の測定値から前記リファレンス測定部の測定値を除算することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項２３】
基板を基板保持部により保持し、
研磨テーブルに取り付けられた研磨パッドの研磨面に基板を押圧し、
前記基板保持部と前記研磨テーブルとを相対移動させて前記基板の表面を研磨し、
研磨中に、前記基板の表面に接触するターゲットの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定し、
測定された前記振幅および周波数の少なくとも一方に基づいて研磨処理を制御することを特徴とする研磨方法。
【請求項２４】
前記振幅および周波数の少なくとも一方が増加または減少して所定の値となったときに、研磨終点に達したと判断することを特徴とする請求項２３に記載の研磨方法。
【請求項２５】
測定された前記振幅および周波数の少なくとも一方に基づいて、前記基板の複数の領域に対する押圧力を制御することを特徴とする請求項２３に記載の研磨方法。
【請求項２６】
前記ターゲットと前記基板との接触圧力を一定に維持しながら、前記ターゲットの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定することを特徴とする請求項２３に記載の研磨方法。
【請求項２７】
研磨中に、前記基板の表面に光を照射し、該基板から戻ってくる反射光の強度を測定することを特徴とする請求項２３に記載の研磨方法。
【請求項２８】
前記ターゲットが接触する基板の箇所と、前記光を照射する基板の箇所とは同一であることを特徴とする請求項２７に記載の研磨方法。
【請求項２９】
前記振幅および周波数の少なくとも一方と、前記反射光の強度とを選択的に監視することを特徴とする請求項２７に記載の研磨方法。
【請求項３０】
研磨中に、前記基板の表面の画像を取得し、
前記画像から前記基板の表面の構造を解析することを特徴とする請求項２３に記載の研磨方法。
【請求項３１】
研磨中に、前記ターゲットの画像を取得し、
前記画像から前記ターゲットの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を解析することを特徴とする請求項２３に記載の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜が付された半導体ウェハなどの基板を研磨する研磨装置および研磨方法に関し、特に基板と研磨面との間に作用する摩擦の変化に基づいて研磨処理を制御する研磨装置および研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程では、ウェハ上に種々の材料が膜状に繰り返し形成され、積層構造を形成する。この積層構造を形成するためには、膜が形成されたウェハの表面を平坦にする技術が重要となっている。このようなウェハの表面を平坦化する一手段として、化学機械研磨（ＣＭＰ）を行う研磨装置が広く用いられている。
【０００３】
この種の研磨装置は、一般に、研磨パッドが取り付けられた研磨テーブルと、ウェハを保持するトップリングと、研磨液を研磨パッド上に供給するノズルとを備えている。ノズルから研磨液を研磨パッド上に供給しながら、トップリングによりウェハを研磨パッドに押し付け、さらにトップリングと研磨テーブルとを相対移動させることにより、ウェハを研磨してその表面を平坦にする。研磨装置は、通常、研磨終点を検出する装置を備えている。
【０００４】
上述した研磨終点検出装置の１つとして、研磨が異材質へ移行した際の研磨摩擦力の変化を検知する装置が知られている。ウェハは、半導体、導体、絶縁体などの異なる材料を含む積層構造を有している。摩擦係数は材料によって異なるため、研磨により膜が除去されてその下地層が表面に現われると、研磨摩擦力が変化する。したがって、研磨摩擦力の変化から、ある特定の膜が研磨により除去されたことを検知することができる。
【０００５】
ここで、研磨摩擦力の変化は通常次のように検出される。研磨摩擦力は研磨テーブルの回転中心から偏心した位置に作用するため、回転する研磨テーブルには研磨摩擦力は負荷トルクとして作用する。このため、研磨摩擦力は研磨テーブルに働くトルクとして検出することができる。ウェハを保持するトップリングについても同様に、研磨摩擦力をトルクとして検出することができる。研磨テーブルまたはトップリングを回転駆動させる手段が電動モータの場合には、トルクはモータに流れる電流として測定することができる。したがって、電流を電流計でモニターし、電流値に適当な信号処理を施すことによって研磨終点が検知される。
【０００６】
しかしながら、研磨テーブルおよびトップリングは、それ自体がある程度の重さを有しているため、研磨摩擦力の変化に起因した電流の変化を精度よく検知することは難しい。また、この方法は、ウェハの表面全体に作用する研磨摩擦力の変化を検知するため、ウェハの表面内での局所的な研磨状態を検知することができない。最近では、複数の加圧機構によりウェハの複数の領域に対して独立して押圧することが可能なトップリングが開発されている。このトップリングは、ウェハの領域ごとの研磨の進行に基づいて各領域に対する押圧力を調整することが可能である。しかしながら、上述の検知方法は、このような局所的な押圧力の調整に寄与することができない。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１９７４１７号公報
【特許文献２】特開平９-１３１６６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、膜の除去などの研磨の変移点を精度よく検知することができ、かつ基板の表面内の局所的な研磨状態を監視することができる研磨装置および研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、研磨面を有する研磨パッドが取り付けられる研磨テーブルと、基板を前記研磨面に押圧する基板保持部とを有し、前記研磨テーブルと前記基板保持部の相対移動により基板の表面を研磨する研磨装置であって、前記基板の表面に接触するターゲットと、前記ターゲットの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定する振動測定部と、前記振動測定部によって測定された前記振幅および周波数の少なくとも一方に基づいて研磨処理を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の好ましい態様は、前記制御部は、前記振幅および周波数の少なくとも一方が増加または減少して所定の値となったときに、研磨終点に達したと判断することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板保持部は、前記基板の複数の領域を独立に押圧する複数の押圧機構を有し、前記制御部は、前記振動測定部によって測定された前記振幅および周波数の少なくとも一方に基づいて、前記複数の押圧機構の押圧力を制御することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨テーブルには、その上面で開口する液体室が設けられ、前記ターゲットは、前記液体室内に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の好ましい態様は、前記ターゲットは、内部に流体が封入された弾性バッグを備えることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記振動測定部は、前記弾性バッグの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記弾性バッグに供給される流体の圧力を調整する圧力調整機構をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記振動測定部は、前記弾性バッグに封入された流体の圧力を測定する圧力センサであることを特徴とする。
【００１２】
本発明の好ましい態様は、前記ターゲットは、前記基板の表面に接触する接触パッドをさらに有しており、前記接触パッドは、前記弾性バッグに取り付けられており、前記振動測定部は、前記接触パッドの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記弾性バッグは光透過性を有する材料から構成されており、前記弾性バッグを介して前記基板の表面の画像を取得する画像取得手段をさらに備えていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記画像取得手段によって取得された画像から前記基板の表面の構造を解析する画像解析部をさらに備えていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ターゲットと前記基板との接触圧力を調整する接触圧力調整機構をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記制御部は、前記接触圧力調整機構を介して前記接触圧力を一定に制御することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記振動測定部は、前記ターゲットの画像を取得する画像取得手段と、前記画像取得手段によって取得された画像から前記ターゲットの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を解析する画像解析部とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい態様は、前記振動測定部は、前記ターゲットに光を照射する投光部と、前記ターゲットで反射した光を受光する受光部と、前記受光部によって受光された光の強さを測定する測定部とを有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ターゲットは、前記研磨パッドの一部であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨パッドには切れ込み線が形成されており、前記ターゲットは、前記切れ込み線で囲まれた領域であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ターゲットを構成する前記研磨パッドの一部は、他の部分よりも厚さが薄い部分であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の好ましい態様は、前記基板の表面に光を照射し、該基板から戻ってくる反射光の強度を測定する反射強度測定部をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は前記ターゲットが接触する基板の箇所と、前記反射強度測定部が光を照射する基板の箇所とは同一であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記制御部は、前記振幅および周波数の少なくとも一方と、前記反射光の強度とを選択的に監視することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨テーブルの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定するリファレンス測定部をさらに備え、前記振動測定部は前記研磨テーブルに設けられ、前記制御部は、前記振動測定部の測定値から前記リファレンス測定部の測定値を除算することを特徴とする。
【００１５】
本発明の他の態様は、基板を基板保持部により保持し、研磨テーブルに取り付けられた研磨パッドの研磨面に基板を押圧し、前記基板保持部と前記研磨テーブルとを相対移動させて前記基板の表面を研磨し、研磨中に、前記基板の表面に接触するターゲットの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定し、測定された前記振幅および周波数の少なくとも一方に基づいて研磨処理を制御することを特徴とする研磨方法である。
【００１６】
本発明の好ましい態様は、前記振幅および周波数の少なくとも一方が増加または減少して所定の値となったときに、研磨終点に達したと判断することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、測定された前記振幅および周波数の少なくとも一方に基づいて、前記基板の複数の領域に対する押圧力を制御することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ターゲットと前記基板との接触圧力を一定に維持しながら、前記ターゲットの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、研磨中に、前記基板の表面に光を照射し、該基板から戻ってくる反射光の強度を測定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ターゲットが接触する基板の箇所と、前記光を照射する基板の箇所とは同一であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記振幅および周波数の少なくとも一方と、前記反射光の強度とを選択的に監視することを特徴とする。
【００１７】
本発明の好ましい態様は、研磨中に、前記基板の表面の画像を取得し、前記画像から前記基板の表面の構造を解析することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、研磨中に、前記ターゲットの画像を取得し、前記画像から前記ターゲットの振動の振幅および周波数の少なくとも一方を解析することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
基板の被研磨面に接触するターゲットの振動の振幅およびは周波数は、基板の表面を構成する膜や表面形状に依存して変化する。したがって、研磨中にターゲットの振動の振幅および／または周波数を監視することにより、膜の除去や表面の凹凸の除去を検知することができる。さらに、基板の表面内の複数の領域ごとに振幅および周波数を測定することができるので、領域ごとの研磨状態を検知することができる。したがって、検知された研磨状態に応じて調整された押圧力で基板の各領域を研磨することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
以下に説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付して、その重複する説明を省略する。
図１は、本発明の原理を説明するための研磨装置の断面を示す模式図である。図１に示すように、この研磨装置は、研磨パッド１を保持する研磨テーブル２と、膜を有するウェハＷを保持して研磨パッド１に押圧するトップリング３と、研磨パッド１に研磨液（スラリー）を供給する研磨液供給ノズル４とを備えている。研磨テーブル２は、その下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、軸心周りに回転可能になっている。研磨パッド１は研磨テーブル２の上面に固定されている。
【００２０】
研磨パッド１の上面１ａは、ウェハＷが摺接される研磨面を構成している。トップリング３は、トップリングシャフト６を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これにより、トップリング３は昇降可能かつトップリングシャフト６周りに回転可能となっている。このトップリング３の下面には、ウェハＷが真空吸着等によって保持される。
【００２１】
トップリング３の下面に保持されたウェハＷはトップリング３によって回転させられつつ、回転している研磨テーブル２上の研磨パッド１にトップリング３によって押圧される。ウェハＷが研磨面１ａと摺接する間、研磨液供給ノズル４から研磨パッド１の研磨面１ａに研磨液が供給され、これによりウェハＷと研磨パッド１との間に研磨液が存在した状態でウェハＷが研磨される。ウェハＷと研磨面１ａとを相対移動させる機構は、研磨テーブル２およびトップリング３によって構成される。
【００２２】
研磨パッド１には、研磨テーブル２および研磨パッド１と一体に回転するターゲット１０が設けられている。このターゲット１０の上面は研磨面１ａと略同一平面内（好ましくは同一平面内）に位置しており、研磨テーブル２（研磨パッド１）の回転に伴ってウェハＷの被研磨面に周期的に接触する。ターゲット１０の下面は研磨テーブル２に対向している。ターゲット１０の上面はウェハＷとの接触面であり、その面積はウェハＷの表面よりも小さい。ターゲット１０は、研磨パッド１と同じ材料から構成されてもよく、または異なる材料から形成されてもよい。
【００２３】
図２（ａ）は研磨パッド１とトップリング３に保持されたウェハＷとの位置を示す平面図であり、図２（ｂ）はターゲット１０がウェハＷを横切る軌跡を示す図である。ターゲット１０が配置される位置は、研磨テーブル２が回転するたびに、ターゲット１０がウェハＷの中心Ｃｒを通る位置である。図１に示すように、ターゲット１０の下方には振動測定部１１が設けられており、振動測定部１１は制御部１２に接続されている。振動測定部１１はターゲット１０の振動の大きさ、すなわち振幅および周波数の少なくとも一方を測定し、その測定値を制御部１２に送るようになっている。
【００２４】
トップリング３および研磨テーブル２（研磨パッド１）が回転すると、ターゲット１０は周期的にウェハＷに接触する。このとき、ターゲット１０とウェハＷとの摩擦によりターゲット１０が振動する。振動測定部１１は、ターゲット１０の振動の大きさを測定し、その測定値を制御部１２に送る。制御部１２は、振動測定部１１から送られてくる振幅および周波数の少なくとも一方を監視し、その値に基づいて研磨の変移点を検出する。
【００２５】
ターゲット１０の振動の振幅および周波数は、ウェハＷの表面を構成する膜の材料および表面形状に依存する。これは、膜の材料および表面形状によって摩擦係数が異なるからである。これに加え、最近では、上層の膜は除去されやすく、その下層の膜は除去されにくい化学成分を有する研磨液を用いて研磨することが一般的となっている。このような研磨液を用いて研磨すると、上層膜が除去されて下層膜が表出すると、研磨レートが極端に低下する。このことは、研磨が上層膜から下層膜に移行した時点で、ウェハＷと研磨面１ａとの摩擦が変化することを意味する。このように摩擦が変化すると、ターゲット１０の振動の大きさが変化する。このような原理から、制御部１２は、研磨中の振幅および／または周波数の変化から研磨の変移点を検出することができる。なお、研磨の変移点とは、例えば、膜が除去された点や膜の表面の凹凸が平坦化された点などである。
【００２６】
振動測定部１１としては、変位センサや加速度センサなどを用いることができる。変位センサの例としては、三角測距式変位センサやマイケルソン型干渉計などが挙げられる。加速度センサの例としては、ＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  Systems）タイプの加速度センサが挙げられる。図３は振動測定部１１として変位センサを研磨テーブル２内に配置した例を示す断面図である。図３に示すように、ターゲット１０の下面には、下向きの斜面を有する変位変換部材１５が固定されており、この変位変換部材１５の斜面によりターゲット１０の横方向の変位が縦方向の変位に変換される。振動測定部１１は変位変換部材１５の斜面の変位を測定することで、ターゲット１０の横方向の変位、すなわちターゲット１０の振動の振幅および周波数を測定する。
【００２７】
図４は振動測定部１１としてＭＥＭＳタイプの加速度センサを研磨テーブル２内に配置した例を示す断面図である。図４に示すように、ターゲット１０の下面には加速度センサとしての振動測定部１１が固定されている。振動測定部（加速度センサ）１１はターゲット１０と一体に移動し、ターゲット１０の加速度を測定する。したがって、振動測定部１１はターゲット１０の加速度から振動の振幅および周波数を求めることができる。ただし、本発明はこれらのセンサに限られず、振動を計測することができる他の計器を用いることができる。
【００２８】
次に、上述した研磨装置をＳＴＩ（Shallow  Trench  Isolation）の形成に用いた例について説明する。図５はＳＴＩの一工程を示す断面図であり、Ｓｉ層に形成された凹凸構造上に絶縁膜であるＳｉＯ２膜が形成された積層構造を示している。図５に示すように、Ｓｉ層（通常はシリコンウェハ）の凸部には、ＳｉＮ膜（Ｓｉ３Ｎ４）および熱酸化膜パッドが形成される。ＳｉＯ２膜は、矢印で示すように、ＳｉＮ膜が露出するまでＣＭＰ（化学機械研磨）により除去される。ＳｉＮ膜はポリッシングストッパーとして機能し、ＣＭＰによってＳｉ層がダメージを受けてしまうことを防止する。ＳｉＮ膜はアクティブ部とも称される。
【００２９】
図６（ａ）は研磨の初期段階のＳＴＩ構造を示す断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示す状態のときに測定されたターゲット１０の振動を示すグラフである。図６（ｂ）において縦軸はターゲット１０の変位を示し、横軸はターゲット１０がウェハＷを横切って移動している間の時間を示す。研磨の初期段階では、最上層の膜はＳｉＯ２膜であり、その表面には凹凸が形成されている。このときのターゲット１０の振動の振幅は比較的小さく、一方で周波数は比較的高い。図７（ａ）は研磨がある程度進んだ状態のＳＴＩ構造を示す断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示す状態のときに測定されたターゲット１０の振動を示すグラフである。図７（ａ）に示すように、最上層の膜であるＳｉＯ２膜の凹凸が除去されている。このときのターゲット１０の振動の振幅は、図６（ｂ）のグラフに比べて大きく、周波数は低い。このような波形の変化（すなわち振動の変化）は、図６（ａ）に示す表面状態と図７（ａ）に示す表面状態とでは摩擦が異なることに起因している。図６（ａ）および図７（ａ）に示す振動のグラフは、図６（ａ）に示す表面状態の方が図７（ａ）に示す表面状態よりも摩擦が小さいことを示している。つまり、この例では、摩擦は接触面積に比例していると考えられ、図６（ａ）ではＳｉＯ２膜の凸部のみの接触であることから、図７（ａ）に示す表面状態よりも摩擦が小さいと考えられる。
【００３０】
図８（ａ）は研磨がさらに進んだ状態のＳＴＩ構造を示す断面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示す状態のときに測定されたターゲット１０の振動を示すグラフである。図８（ａ）および図８（ｂ）は、研磨レートがウェハＷの全面に亘って均一でない例を示している。すなわち、図８（ａ）に示すように、ＳｉＮ膜の一部が表面に現われているが、ＳｉＮ膜の中央部にはＳｉＯ２膜が残存している。このときのターゲット１０の振動の振幅は、ＳｉＮ膜が露出した領域では小さく、ＳｉＯ２膜が残存している領域では大きい。一方、振動の周波数は、ＳｉＮ膜が露出した領域では高く、ＳｉＯ２膜が残存している領域では低い。
【００３１】
図９（ａ）は研磨終点に達したときのＳＴＩ構造を示す断面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示す状態のときに測定されたターゲット１０の振動を示すグラフである。研磨終点は、ＳｉＯ２膜の下に形成されたＳｉＮ膜が表面に現われ、平坦な表面が形成された状態である。このときのターゲット１０の振動の振幅は小さく、周波数は高い。図１０は、図６（ｂ）乃至図９（ｂ）のグラフを研磨時間に沿って並べた図である。図１０に示すように、研磨テーブル２の回転に伴って、ターゲット１０がウェハＷと周期的に接触し、摩擦によって振動していることが分かる。そして、ウェハＷの表面を形成する膜の種類および表面形状によって、ターゲット１０の振動の仕方が変わっている。
【００３２】
このように、膜が除去されて、その下地層が現われると、ウェハＷとターゲット１０との間に作用する摩擦が変化し、その結果としてターゲット１０の振動の振幅および周波数が変化する。したがって、振幅および周波数の少なくとも一方を監視することにより、膜が除去されたことを検出することができる。上述の積層構造の例では、ＳｉＯ２膜が除去されると振幅が減少し、周波数が増加したが、膜の種類によっては、振幅の増加および周波数の減少が膜の除去を示すこともある。したがって、制御部１２は、振幅が所定のしきい値にまで増加または低下したとき、および／または周波数が所定のしきい値にまで増加または低下したときに、膜が除去されたと判断する。
【００３３】
ところで、図８（ａ）に示すように、研磨レートがウェハＷの全面に亘って均一でないと、膜の一部が除去されずに下地層の上に残存する。ターゲット１０は、ウェハＷの略径方向に沿ってウェハＷの表面を横切るので、図８（ｂ）のグラフの横軸は、研磨時間のみならず、ウェハＷの径方向位置も表しているといえる。つまり、図８（ｂ）のグラフの縦軸に示されるターゲット１０の変位は、ウェハＷの端から端まで連続的に測定され、振幅および周波数もウェハＷの径方向の全体に亘って求められる。したがって、制御部１２は、振幅および周波数の少なくとも一方から、残存する膜の位置（すなわち、研磨レートが低い領域）を特定することができる。さらに、制御部１２は、研磨レートの低い領域に対する押圧力を高めるように、トップリング３に指令を出すことができる。
【００３４】
上述のような観点から、トップリング３は、ウェハＷの複数の領域を独立に押圧する複数の押圧機構を有することが好ましい。図１１は、そのような複数の押圧機構を有するトップリング３の一例を示す断面図である。トップリング３は、トップリングシャフト６に自由継手２０を介して連結されるトップリング本体２１と、トップリング本体２１の下部に配置されたリテーナリング２２とを備えている。トップリング本体２１の下方には、ウェハＷに当接する円形の弾性パッド（メンブレン）２６と、弾性パッド２６を保持するチャッキングプレート２７とが配置されている。弾性パッド２６とチャッキングプレート２７との間には、４つの圧力室（エアバッグ）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が設けられている。圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は弾性パッド２６とチャッキングプレート２７とによって形成されている。中央の圧力室Ｐ１は円形であり、他の圧力室Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は環状である。これらの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、同心上に配列されている。
【００３５】
圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４にはそれぞれ流体路３１，３２，３３，３４を介して圧力調整部４０により加圧空気等の加圧流体が供給され、あるいは真空引きがされるようになっている。圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力は互いに独立して変化させることが可能であり、これにより、ウェハＷの４つの領域、すなわち、中央部、内側中間部、外側中間部、および周縁部に対する押圧力を独立に調整することができる。また、トップリング３の全体を昇降させることにより、リテーナリング２２を所定の押圧力で研磨パッド１１０に押圧できるようになっている。
【００３６】
チャッキングプレート２７とトップリング本体２１との間には圧力室Ｐ５が形成され、この圧力室Ｐ５には流体路３５を介して上記圧力調整部４０により加圧流体が供給され、あるいは真空引きがされるようになっている。これにより、チャッキングプレート２７および弾性パッド２６全体が上下方向に動くことができる。ウェハＷの周端部はリテーナリング２２に囲まれており、研磨中にウェハＷがトップリング３から飛び出さないようになっている。圧力室Ｐ３を構成する、弾性パッド２６の部位には開口が形成されており、圧力室Ｐ３に真空を形成することによりウェハＷがトップリング３に吸着保持されるようになっている。また、この圧力室Ｐ３に窒素ガスやクリーンエアなどを供給することにより、ウェハＷがトップリング３からリリースされるようになっている。
【００３７】
制御部１２は、振動測定部１１から送られてくる振幅および周波数の少なくとも一方の測定値に基づいて各圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力を決定し、決定された内部圧力が各圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に形成されるように圧力調整部４０に指令を出すようになっている。このような構成を有するトップリング３によれば、研磨レートが低い領域に対応する圧力室の内部圧力を高くすることにより、膜を均一に除去することができる。
【００３８】
ターゲット１０は振動測定部１１に直接取り付けてもよく、または、図１２に示すように、ばねやゴムなどの弾性部材を介して研磨テーブル２に連結してもよい。図１２に示す例では、ターゲット１０は、ウェハＷに接触する接触パッド１０ａと、接触パッド１０ａを保持する台座１０ｂとを有している。台座１０ｂは、研磨テーブル２に形成された凹部４５内に横方向に移動自在に置かれている。台座１０ｂと凹部４５の側面とはばね４６により連結されており、ターゲット１０に作用するばね４６の横方向の力は釣り合っている。
【００３９】
振動測定部１１は、研磨テーブル２に形成された部屋５０内に配置されている。この部屋５０は、凹部４５の側面で開口しており、その開口は透明窓５１によって塞がれている。振動測定部１１としては、変位センサの一種であるレーザ干渉計が使用されている。部屋５０の内部にはミラー５２が配置されており、振動測定部（レーザ干渉計）１１から発せられたレーザ光は、ミラー５２で反射して透明窓５１を通過し、ターゲット１０の台座１０ｂの側面に照射されるようになっている。台座１０ｂの側面で反射したレーザ光は振動測定部１１に戻り、これにより、ターゲット１０の振動の大きさが振動測定部１１によって測定される。なお、台座１０ｂの側面のレーザ光が当たる箇所に、ミラーを取り付けてもよい。
【００４０】
図１３に示す図は、図１２に示すターゲット１０の変形例である。この例では、ばね４６が上方に傾いており、これによりターゲット１０に上向きの力が作用している。図１４は、図１２に示すターゲット１０の他の変形例を示す断面図である。この例では、研磨テーブル２には、透明な液体としての純水が流れる液体供給路５４および液体排出路５５が形成されており、これら液体供給路５４および液体排出路５５は凹部４５に連通している。この例では、凹部４５は液体室として機能する。純水は、液体供給路５４を通って凹部４５に流入し、これにより凹部４５は純水で満たされる。ターゲット１０は、その上面を除き、純水中に浸漬される。液体は、凹部４５に浸入した研磨液と共に、液体排出路５５から排出される。このような構成によれば、研磨液（通常はスラリー）がターゲット１０に付着することが防止され、ターゲット１０の自由な動きが確保される。
【００４１】
図１５は、図１２に示すターゲット１０のさらに他の変形例を示す断面図である。この例では、振動測定部１１としてＭＥＭＳタイプの加速度センサが使用されている。振動測定部１１はターゲット１０の台座１０ｂに取り付けられており、振動測定部１１とターゲット１０とは一体に振動するようになっている。
【００４２】
上述の例では、ターゲット１０は研磨パッド１から分離された部材として構成されているが、研磨パッド１の一部がターゲット１０を構成してもよい。例えば、図１６に示すように、研磨パッド１の一部をターゲット１０と定義し、ターゲット１０の下面（つまり研磨パッド１の下面）の振動を振動測定部１１によって測定してもよい。この場合、研磨パッド１の一部の厚みを薄くして薄肉部を形成し、この薄肉部をターゲット１０としてもよい。図１７に示すように、研磨パッド１に環状の切れ込み線５７を形成し、切れ込み線５７で囲まれた領域をターゲット１０としてもよい。なお、この場合の切れ込み線５７は、複数のスリットが配列されて形成される線である。また、この場合、振動測定部１１の測定精度を向上させるために、振動測定部１１の一部を研磨パッド１に埋設してもよい。
【００４３】
さらに、図１８に示すように、ウェハＷに接触する液体の振動の大きさを測定してもよい。図１８に示す例では、研磨パッド１に形成されている貫通孔の下側開口部は薄いパッドなどの閉塞プレート５８で塞がれている。貫通孔には液体が満たされており、この液体がターゲット１０として機能する。液体の振動の大きさは閉塞プレート５８を介して振動測定部１１によって測定される。貫通孔を満たす液体は研磨液供給ノズル４から供給された研磨液でもよく、または純水などの他の液体でもよい。
【００４４】
図１９は、ターゲット１０の他の例を示す断面図である。この例では、ターゲット１０は、内部に流体が封入された弾性バッグ１０ｃと、弾性バッグ１０ｃの頂部に取り付けられた接触パッド１０ａとを有している。弾性バッグ１０ｃは、研磨テーブル２に形成された凹部４５内に配置されており、接触パッド１０ａは、研磨パッド１に形成された貫通孔の内部に位置しており、接触パッド１０ａの上面の少なくとも一部は、研磨パッド１の研磨面１ａと略同一平面内に位置している。弾性バッグ１０ｃは略円形の縦断面形状を有しており、弾力性のある樹脂などから構成されている。弾性バッグ１０ｃには流体供給路６０が接続され、この流体供給路６０は流体供給源６１に接続されている。空気や水などの流体は、流体供給源６１から流体供給路６０を通って弾性バッグ１０ｃに供給される。流体供給路６０には圧力調整機構６２および圧力センサ６３が設けられており、圧力調整機構６２により弾性バッグ１０ｃ内の流体の圧力が調整され、圧力センサ６３により弾性バッグ１０ｃ内の流体の圧力が測定される。圧力調整機構６２の具体例としてはバルブが挙げられる。
【００４５】
ターゲット１０のウェハＷに対する押圧力（すなわちターゲット１０とウェハＷとの接触圧力）は、弾性バッグ１０ｃ内の流体の圧力に依存する。ここで、ターゲット１０のウェハＷに対する押圧力は、振動の測定中、できるだけ一定に維持することが好ましい。そこで、本実施形態では、圧力センサ６３の測定値が制御部１２によって監視され、制御部１２による接触圧力のフィードバック制御が行われている。より具体的には、制御部１２は、圧力センサ６３の測定値を監視し、この測定値と予め設定されている値との偏差がゼロとなるように圧力調整機構６２を操作する。このようにして、制御部１２は、振動測定部１１による測定中、ターゲット１０のウェハＷに対する押圧力（接触圧力）が一定に維持されるようにフィードバック制御する。
【００４６】
上記設定値（すなわち、ターゲット１０の押圧力の目標値）は、振動測定部１１による振幅および／または周波数の測定が良好に行われる値に設定される。具体的には、被研磨面の状態や研磨装置の運転条件などに応じて上記設定値が決定される。被研磨面の状態としては、ウェハの種類や除去すべき膜の種類などが挙げられる。また、研磨装置の運転条件としては、研磨テーブル２の回転速度、研磨パッド１の種類、トップリング３によるウェハの研磨パッド１への押圧力、研磨パッド１の温度などが挙げられる。
【００４７】
上記設定値は制御部１２に予め記憶される。また、ウェハの種類に対応した複数の設定値を制御部１２に記憶することもできる。この場合は、ウェハの研磨開始時に、記憶されている複数の設定値からそのウェハに応じた設定値が選択される。このように、研磨対象となるウェハに関連づけられた押圧力でターゲット１０がウェハに接触するので、より精度の高い振動測定が可能となっている。
【００４８】
弾性バッグ１０ｃは透明な材料から構成されている。接触パッド１０ａは弾性バッグ１０ｃの頂部に取り付けられている。この接触パッド１０ａは、研磨パッド１と同じ材料から構成されてもよく、または別の材料から構成されてもよい。振動測定部１１は弾性バッグ１０ｃの下方に位置しており、接触パッド１０ａの下面に対向するように配置されている。より具体的には、弾性バッグ１０ｃの下方に形成された孔の内部に振動測定部１１が配置されている。孔の上端には研磨液などの液体の侵入を防ぐ透明窓５１が設けられている。振動測定部１１としては、変位センサの一種であるレーザ干渉計が用いられている。この振動測定部（レーザ干渉計）１１は、レーザ光を弾性バッグ１０ｃに向けて上方に発する。レーザ光は、弾性バッグ１０ｃを貫通して接触パッド１０ａの下面で反射し、振動測定部１１に戻る。弾性バッグ１０ｃに供給される流体としては、空気や水などのレーザ光を透過させるものが選択される。
【００４９】
弾性バッグ１０ｃの大きさは、流体の圧力によって変化する。したがって、研磨パッド１の摩耗に合わせて弾性バッグ１０ｃの大きさを変更することにより、接触パッド１０ａの上面を研磨パッド１の研磨面１ａと同一平面内に位置させることができる。接触パッド１０ａは、弾性体である弾性バッグ１０ｃに保持されているので、ウェハＷとの接触により振動する。振動測定部１１は、接触パッド１０ａの振動の大きさを、弾性バッグ１０ｃを貫通するレーザ光を用いて、弾性バッグ１０ｃの下方から計測する。
【００５０】
上述の構成において、接触パッド１０ａとウェハＷとが接触すると、接触パッド１０ａと共に弾性バッグ１０ｃが振動し、その内部に封入されている流体も振動する。したがって、圧力センサ６３は、弾性バッグ１０ｃ内の流体の圧力を測定し、その圧力の変動からターゲット１０（弾性バッグ１０ｃ）の振動の振幅および周波数を求めることができる。この場合は、圧力センサ６３が振動測定部を構成する。なお、この場合は、上述の振動測定部１１を省略してもよい。
【００５１】
図２０は図１９に示す構成の変形例を示す断面図である。この例では、研磨テーブル２に形成された凹部４５に、上述した液体供給路５４と液体排出路５５が接続されている。純水は、液体供給路５４を通じて凹部４５に供給され、これにより凹部（すなわち液体室）４５は純水で満たされる。そして、凹部４５に侵入した研磨液は純水と共に液体排出路５５を通じて排出される。その他の構成は図１９に示す構成と同一である。
【００５２】
図２１は図１９に示す構成の他の変形例を示す断面図である。この例では、振動測定部１１は、研磨テーブル２に形成された部屋５０内に配置されている。この部屋５０は、凹部４５の側面で開口しており、その開口は透明窓５１によって塞がれている。部屋５０の内部にはミラー５２が配置されており、振動測定部（レーザ干渉計）１１から発せられたレーザ光は、ミラー５２で反射して透明窓５１を通過し、弾性バッグ１０ｃの表面に照射されるようになっている。弾性バッグ１０ｃの表面で反射したレーザ光は同じ経路をたどって振動測定部１１に戻る。そして、振動測定部１１は、接触パッド１０ａと一体に振動する弾性バッグ１０ｃの振動の大きさを測定する。その他の構成は図１９に示す構成と同一である。
【００５３】
この例では、接触パッド１０ａを省略してもよい。この場合は、弾性バッグ１０ｃがウェハＷの表面に直接接触する。弾性バッグ１０ｃは研磨パッド１と同じ材料で構成してもよい。また、図２０に示す液体供給路５４および液体排出路５５を設けてもよい。この場合は、凹部４５に供給される純水の流れによって弾性バッグ１０ｃが振動しないように、測定中は純水の供給を止めるか、または純水の流量を低くすることが好ましい。
【００５４】
図２２は図１９に示す構成の他の変形例を示す断面図である。この例では、振動測定部１１として、超音波式変位センサが使用されている。この振動測定部（超音波式変位センサ）１１は弾性バッグ１０ｃの下部に接するように配置されており、超音波を弾性バッグ１０ｃに向けて上方に発する。超音波は、弾性バッグ１０ｃを貫通して接触パッド１０ａの下面で反射し、振動測定部１１に戻る。このように、振動測定部１１は、接触パッド１０ａの振動の大きさを、弾性バッグ１０ｃを貫通する超音波を用いて、弾性バッグ１０ｃの下方から計測する。弾性バッグ１０ｃに供給される流体としては、水などの液体が選択される。その他の構成は図１９に示す構成と同一である。なお、図２０に示す液体供給路５４および液体排出路５５を設けてもよい。
【００５５】
図２３は図１９に示す構成の他の変形例を示す断面図である。この例では、振動測定部１１として、三角測距式変位センサが使用されている。この振動測定部（三角測距式変位センサ）１１は弾性バッグ１０ｃの下部に接するように配置されており、レーザ光を弾性バッグ１０ｃに向けて斜め上方に発する。レーザ光は、弾性バッグ１０ｃを貫通して接触パッド１０ａの下面で反射し、振動測定部１１に戻る。このように、振動測定部１１は、接触パッド１０ａの振動の大きさを、弾性バッグ１０ｃを貫通するレーザ光を用いて、弾性バッグ１０ｃの下方から計測する。弾性バッグ１０ｃに供給される流体としては、空気や水などのレーザ光を透過させるものが選択される。その他の構成は図１９に示す構成と同一である。なお、図２０に示す液体供給路５４および液体排出路５５を設けてもよい。
【００５６】
図２４は、振動測定部１１として光学式センサを用いた例を示す断面図である。この光学式センサは、光を対象物に照射し、対象物から戻ってくる光の強度を測定する装置である。図２４は光学式センサの一具体例を示しており、図１２に示す振動測定部１１としての変位センサを、光学式センサに代えた例を示す。その他の構成は図１２または図１４に示す例と同様である。図２４に示すように、ターゲット１０の一部である台座１０ｂの側方には２つの光ファイバー６５，６６が配置されており、これら光ファイバー６５，６６の先端は台座１０ｂの側面を向いている。一方の光ファイバー６５は光源６７に接続され、他方の光ファイバー６６は、光の強さを測定する測定部としての光パワーメータ６８に接続されている。
【００５７】
光源６７としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ハロゲンランプ、キセノンランプなどを用いることができる。光源６７の光は光ファイバー６５の先端から台座１０ｂ（すなわちターゲット１０）の側面に照射される。光は台座１０ｂの側面で反射し、光ファイバー６６によって受光される。このように、光ファイバー６５および光源６７は投光部を構成し、光ファイバー６６は受光部を構成する。受光された光は光パワーメータ６８に送られ、ここで反射光の強さが測定される。
【００５８】
ウェハＷとの接触によりターゲット１０が振動すると、光ファイバー６５，６６の先端とターゲット１０との距離が変化する。その結果、反射光の強さが変化する。反射光の強さはターゲット１０の振動の大きさに応じて変化するので、反射光の強さはターゲット１０の振動の大きさに対応する。したがって、光パワーメータ６８は、反射光の強さからターゲット１０の振動の振幅および周波数を測定することができる。光パワーメータ６８は制御部１２に接続されており、光パワーメータ６８の測定値は制御部１２に送られるようになっている。なお、この例では、光ファイバー６５，６６、光源６７、および光パワーメータ６８から振動測定部１１が構成される。
【００５９】
図２５は、図２４の変形例を示す断面図である。より詳しくは、図２５は、図１９に示す振動測定部１１としての変位センサを、光学式センサに代えた例を示している。この例では、光ファイバー６５，６６は弾性バッグ１０ｃの下方に配置される。その他の構成は、図２４に示す例と同様である。光は光ファイバー６５から弾性バッグ１０ｃを貫通して接触パッド１０ａに照射され、接触パッド１０ａで反射した光は弾性バッグ１０ｃを貫通して光ファイバー６６に受光される。この例でも、反射光の強さからターゲット１０の振動の大きさを測定することができる。
【００６０】
図２６は、振動測定部に加え、反射強度測定部を設けた例を示す断面図である。より詳しくは、図２６は、図２１に示す構成に反射強度測定部７０を加えた構成を示している。この反射強度測定部７０は、ウェハＷの表面に光を照射し、ウェハＷから戻ってくる光の強度を測定する装置である。図２６に示すように、反射強度測定部７０は、弾性バッグ１０ｃの下方に配置された２つの光ファイバー６５，６６と、これらの光ファイバー６５，６６にそれぞれ接続された光源６７および分光器７１とを備えている。光源６７としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ハロゲンランプ、キセノンランプなどを用いることができる。
【００６１】
この例では、ターゲット１０は弾性バッグから構成される。すなわち、この例では接触パッドは弾性バッグに取り付けられていなく、弾性バッグの最上部がウェハＷに直接接触するようになっている。この弾性バッグは、光を透過させる透明な材料から構成されている。なお、光を透過させる透明な接触パッドを弾性バッグの最上部に取り付けてもよい。弾性バッグ（ターゲット）１０には、図２１に示す例と同様に、流体供給源６１が流体供給路６０を介して連結され、圧力調整機構６２および圧力センサ６３が流体供給路６０に設けられている。
【００６２】
ターゲットである弾性バッグ１０には、光を透過させる透明な流体が封入されている。光源６７の光は光ファイバー６５の先端から弾性バッグ１０を貫通してウェハＷの下面（被研磨面）に照射される。光はウェハＷの下面で反射し、光ファイバー６６によって受光される。このように、光ファイバー６５および光源６７は投光部を構成し、光ファイバー６６は受光部を構成する。
【００６３】
光ファイバー６６で受光された光は分光器７１に送られる。分光器７１は、光を波長に従って分解してスペクトルを生成する。分光器７１で得られるスペクトルは、波長ごとの反射強度（反射光の強さ）を示す情報を含んでおり、波長ごとの反射強度が分光器７１によって測定される。各波長での反射強度は、ウェハＷの膜の厚さに応じて周期的に変化する。図２７は、研磨時間に従って変化する反射強度を示すグラフである。図２７の横軸は研磨時間（膜厚と考えてもよい）、縦軸は反射強度を示す。図２７に示すように、膜厚が減少するにしたがって、反射強度はサインカーブを描いて変化する。これは、膜の表面で反射した光と、その膜を透過して下地層の表面で反射した光とが干渉するためである。
【００６４】
分光器７１は制御部１２に接続されており、制御部１２によって、所定の波長での反射強度、すなわち膜厚が監視されるようになっている。研磨初期では、図２７に示すように、研磨の不安定さやノイズ等により反射強度の波形が安定しない場合がある。このため、反射強度のモニター開始を意図的に遅らせ、ある程度研磨が進行した後に反射強度のモニターが開始される。
【００６５】
制御部１２は、反射強度を監視することにより、ウェハＷの膜が所定の厚さにまで除去されたか否かを判定する。すなわち、制御部１２は、モニター開始後に現われる極大値（または極小値）の数をカウントして、予め定められた個数の極大値（または極小値）が現われた時点を検出する。この検出すべき点は、ウェハＷの膜が所定の厚さにまで除去された点（以下、目標研磨点という）であり、予め制御部１２に設定されている。例えば、図２７では、４番目の極大値が目標研磨点として予め設定されている。したがって、モニター開始後の極大値のカウントが４になったときに、制御部１２は目標研磨点に達したと判断する。この場合、目標研磨点が表れた時点に所定の時間を加算した時点を研磨終点に設定してもよい。
【００６６】
なお、反射強度に代えて、異なる波長での反射強度同士を割り算した値である特性値を用いてもよい。この特定値は、反射強度からノイズ成分などを取り除いた値と考えることができる。この特性値も、反射強度と同様に、膜厚の変化に従って周期的に変化する。特性値を用いる場合は、制御部１２は、予め選択された２つの波長λ１，λ２における反射強度ρλ１(ｔ)，ρλ２(ｔ)を用いて、特性値Ｘ（ｔ）を次の式から求める。
Ｘ(ｔ)＝ρλ１(ｔ)／(ρλ１(ｔ)＋ρλ２(ｔ))
ここで、ρは反射強度、ｔは研磨時間を表す。
【００６７】
上述したスペクトルは、波長ごとの反射光の強度の分布を示すグラフとして表わすことができる。このスペクトルは、ウェハＷの膜厚に応じて変化する。したがって、スペクトルと膜厚との関係を示すデータと、研磨中に取得されたスペクトルとから、膜厚を研磨中に求めることができる。具体的には、次のような方法で膜厚を求めることができる。まず、膜の厚さごとのスペクトルをシミュレーション計算によりデータとして取得する。分光器７１で得られたスペクトルの波形は、制御部１２により、カーブフィッティングなどの手法を用いて、データ中のスペクトルと比較される。そして、分光器で得られたスペクトルに最も近いスペクトルがデータの中から選択され、その選択されたスペクトルに対応する膜厚が研磨中の膜厚と判断される。この方法によれば、制御部１２は、膜厚が減少して所定のしきい値に達したときに、目標研磨点または研磨終点に達したと判断することができる。
【００６８】
光ファイバー６５からの光が照射されるウェハＷの部位は、弾性バッグ（ターゲット）１０に接触する部位である。つまり、反射光の強度が測定されるウェハＷの箇所と、振動および周波数の少なくとも一方が測定されるウェハＷの箇所は同一である。したがって、制御部１２は、振動測定部１１および反射強度測定部７０から送られてくる測定値に基づき、ウェハＷの同じ領域における研磨状態を監視することができる。この場合、制御部１２は、振動測定部１１から送られてくる振幅および周波数の少なくとも一方と、反射強度測定部７０から送られてくる反射強度とを、同時または交互に監視することができる。例えば、制御部１２は、研磨初期における膜の表面の凹凸の除去（図７（ａ）参照）を振動測定部１１からの測定値に基づいて判断し、次いで、研磨終点における膜の除去（図９（ａ）参照）を反射強度測定部７０からの測定値に基づいて判断することができる。または、研磨初期における膜の表面の凹凸の除去を反射強度測定部７０からの測定値に基づいて判断し、次いで、研磨終点における膜の除去を振動測定部１１からの測定値に基づいて判断してもよい。このように、制御部１２は、振幅および周波数の少なくとも一方と反射強度とを選択的に監視することができる。
【００６９】
多層構造を有する基板の処理においては、研磨終点検知、膜厚測定、膜の表面の平坦化などの処理の目的に適した研磨監視方法を用いることが有効である。また、膜の性質に適した研磨監視方法を採用することも有効である。例えば、凹凸の大きい表面を平坦にするときは振動測定部１１を用いて摩擦の変化を監視し、研磨の最終段階において研磨終点検知が必要なときには反射強度測定部７０を用いて反射強度（すなわち膜厚の変化）を監視することが好ましい。さらに、制御部１２は、振動測定部１１および反射強度測定部７０の両方を用いて摩擦の変化と反射強度とを同時に監視してもよい。
【００７０】
図２８は、振動測定部に加えて、基板の被研磨面の画像を取得するカメラを備えた例を示す断面図である。この例では、図２６に示す反射強度測定部７０に代えて、ウェハＷの被研磨面の画像を取得するカメラ（画像取得手段）７２が配置されている。その他の構成は、図２６に示す例と同一であるので、その重複する説明を省略する。カメラ７２は、ターゲットである弾性バッグ１０の下方に配置されている。カメラ７２としては、ＣＣＤなどのイメージセンサを用いたデジタルスチールカメラが好ましく用いられる。カメラ７２は、研磨テーブル２に形成された孔の内部に配置されており、孔の上端には研磨液などの液体の侵入を防ぐ透明窓５１が設けられている。弾性バッグ１０は、光透過性を有する材料から構成されており、弾性バッグ１０には、光を透過させる透明な流体が封入されている。
【００７１】
ウェハＷの研磨中は、ウェハＷの表面と弾性バッグ１０とが接触し、これにより弾性バッグ１０が振動する。振動測定部１１は、上述の例と同様に、弾性バッグ１０の振動の振幅および周波数の少なくとも一方を測定し、その測定値を制御部１２に送信する。一方、カメラ７２は、ウェハＷの研磨中、ウェハＷの表面の画像を撮像する。具体的には、カメラ７２は、弾性バッグ１０と接触しているウェハＷの表面の領域の画像を、弾性バッグ１０を通じて取得する。なお、図示しないが、撮影用の光源が弾性バッグ（ターゲット）１０に近接して設けられている。この光源としては、連続光を発するライト、またはフラッシュなどが用いられる。
【００７２】
カメラ７２が取得した画像は画像解析部７３に送られる。画像解析部７３は、ウェハＷの表面の画像から、ウェハＷの構造を解析する。具体的には、画像解析部７３は、画像に現われるウェハＷの表面の模様および色から、スクライブラインの位置や、スクライブライン上のテストエレメントを測定したり、セルの位置や面積を測定する。このように、ウェハＷの構造の解析と振動測定部１１による測定結果とを関連づけることで、ウェハＷの研磨状態をより正確に判断することができる。上はまた、画像解析部７３は、取得した画像から膜厚を測定したり、構造上の欠陥を検知してもよい。画像解析部７３の解析結果は、制御部１２に送られ、研磨処理の制御に使用される。
【００７３】
図２９は、振動測定部として、カメラおよび画像解析部を用いた例を示す断面図である。その他の構成は、図１９に示す例と同一であるので、その重複する説明を省略する。この例の振動測定部１１は、ターゲット１０の画像を取得するカメラ（画像取得手段）７２を備えている。このカメラ７２は、ターゲット１０の下方に配置されている。カメラ７２としては、ＣＣＤなどのイメージセンサを用いたデジタルスチールカメラが好ましく用いられる。この例では、図１９に示す例と同様に、ターゲット１０は、弾性バッグ１０ｃと、弾性バッグ１０ｃの頂部に取り付けられた接触パッド１０ａとを有している。カメラ７２は、研磨テーブル２に形成された孔の内部に配置されており、孔の上端には研磨液などの液体の侵入を防ぐ透明窓５１が設けられている。弾性バッグ１０ｃは、光透過性を有する材料から構成されており、弾性バッグ１０ｃには、光を透過させる透明な流体が封入されている。
【００７４】
カメラ７２はターゲット１０に対向して配置されており、研磨中にターゲット１０の画像を取得するように動作する。なお、図示しないが、撮影用の光源がターゲット１０に近接して設けられている。この光源としては、連続光を発するライト、またはフラッシュなどが用いられる。ターゲット１０には模様が予め付されており、カメラ７２はこのターゲット１０上の模様の画像を取得する。この例では、カメラ７２は、接触パッド１０ａの裏面の画像を取得するように配置されている。接触パッド１０ａの裏面には、同心円、格子状の線などの模様が付されている。カメラ７２は、研磨中に、接触パッド１０ａの裏面（模様を含む）の画像を、弾性バッグ１０ｃを通じて取得する。この場合、接触パッド１０ａを透明な材料で構成し、その裏面に付された模様を観察すると同時に、ウェハＷの表面の画像を制御部１２により観察してもよい。
【００７５】
カメラ７２が取得した画像は画像解析部７４に送られる。画像解析部７４は、ターゲット１０の画像から、ターゲット１０の振動の振幅および周波数の少なくとも一方を解析する。取得された画像には、上述したように、ターゲット１０に付された模様が現われているので、画像解析部７４は、この模様の変位から、ターゲット１０の振動の振幅および周波数の少なくとも一方を解析することができる。ターゲット１０の振動の方向および大きさの解析が容易となるように、模様の変位や変位の方向を画像解析部７４が認識しやすいような模様であることが好ましい。画像解析部７４の解析結果（すなわち、ターゲット１０の振動の振幅および周波数の少なくとも一方）は、制御部１２に送信され、制御部１２によって研磨処理の制御に使用される。
【００７６】
なお、図２８に示す例と同様に、接触パッドを有しない弾性バッグをターゲット１０として用いてもよい。この場合は、ウェハＷの表面に接触する弾性バッグの裏面に模様が付され、カメラ７２は、弾性バッグを介して模様の画像を取得する。また、図２９に示す実施形態は、ターゲットとして弾性バッグを用いた例に限らず、例えば図１２に示すように、ウェハＷに接触する接触パッド１０ａと、接触パッド１０ａを保持する台座１０ｂとを備えたターゲットを使用した例にも適用することができる。この場合は、台座１０ｂの下面に模様を付し、カメラ７２によって台座１０ｂの下面（模様を含む）の画像を取得するようにしてもよい。
【００７７】
上述した構成例では、ターゲット１０は弾性的に研磨テーブル２に連結されているため、回転する研磨テーブル２自体の振動がターゲット１０に伝わる場合がある。このような研磨テーブル２の振動はノイズとして振動測定部１１の測定値に重畳されてしまう。そこで、振動測定部１１とは別に、リファレンスセンサ（リファレンス測定部）を研磨テーブル２に設け、リファレンスセンサの測定値を利用して、振動測定部１１の測定値からノイズを除去することが好ましい。
【００７８】
図３０は、研磨テーブル２にリファレンスセンサを設けた例を示す断面図である。リファレンスセンサ７５は、研磨テーブル２の内部または研磨テーブル２の表面上に設置される。振動測定部１１がターゲット１０の振動を測定すると同時に、リファレンスセンサ７５は、研磨テーブル２の所定の部位の振動の大きさを測定する。リファレンスセンサ７５によって測定される対象は、ターゲット１０とウェハＷとの接触に起因する振動以外のあらゆる振動、つまりノイズである。このノイズは、例えば研磨テーブル２、トップリング３のそれぞれ固有の偏心やがたつきなどに起因する機械的振動、駆動モータの振動などである。
【００７９】
リファレンスセンサ７５の測定値は制御部１２に送られる。振動測定部１１の測定値は、リファレンスセンサ７５の測定値で除算され、これにより振動測定部１１の測定値に含まれるノイズが取り除かれる。図３０に示すように、リファレンスセンサ７５が測定する研磨テーブル２の部位は、ターゲット１０の近くであることが好ましい。これはノイズを正確にキャンセルするために、振動測定部１１のノイズとなるべく同種のノイズをリファレンスセンサ７５で測定するためである。振動測定部１１とリファレンスセンサ７５とは、同一のタイプのセンサが用いられる。本例においては、リファレンスセンサは１つであるが、複数のリファレンスセンサを設置してもよい。この場合、複数のリファレンスセンサの信号強度比を変えてから振動測定部１１の測定値を除算すると効果的な場合がある。例えば、同じタイプのリファレンスセンサを使う場合、信号感度がセンサごとに異なることがある。このような場合は、それぞれのリファレンスセンサの信号強度を調整して一致させる。一方、異なるレファレンスセンサを組み合わせて使う場合は、必ずしも信号感度が一致するとは限らないので、信号強度を調整して一致させる。
【００８０】
上述した実施形態では、研磨中にターゲットの振動の大きさ（および反射光の強度）が測定される。しかしながら、より高い測定精度が必要な場合、または測定部を研磨テーブルに内蔵することが困難な場合は、研磨テーブル外に専用の測定部を設け、ここで測定を行ってもよい。この場合、研磨開始時、研磨中断時、または研磨終了後に測定を行うことができる。また、専用の測定部に代えて、ウェハ（基板）を洗浄する洗浄ユニットや、ウェハを搬送する搬送機構などの基板処理装置を構成する機構に測定部を設けてもよい。例えば、搬送機構に設けられた測定部により、ウェハの搬送中に測定を行ってもよい。
【００８１】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の原理を説明するための研磨装置の断面を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）は研磨パッドとトップリングに保持されたウェハとの位置を示す平面図であり、図２（ｂ）はターゲットがウェハを横切る軌跡を示す図である。
【図３】振動測定部として変位センサを研磨テーブル内に配置した例を示す断面図である。
【図４】振動測定部としてＭＥＭＳタイプの加速度センサを研磨テーブル内に配置した例を示す断面図である。
【図５】ＳＴＩの一工程を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は研磨の初期段階のＳＴＩ構造を示す断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示す状態のときに測定されたターゲットの振動を示すグラフである。
【図７】図７（ａ）は研磨がある程度進んだ状態のＳＴＩ構造を示す断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示す状態のときに測定されたターゲットの振動を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）は研磨がさらに進んだ状態のＳＴＩ構造を示す断面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示す状態のときに測定されたターゲットの振動を示すグラフである。
【図９】図９（ａ）は研磨終点に達したときのＳＴＩ構造を示す断面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示す状態のときに測定されたターゲットの振動を示すグラフである。
【図１０】図６（ｂ）乃至図９（ｂ）のグラフを研磨時間に沿って並べた図である。
【図１１】複数の押圧機構を有するトップリングの一例を示す断面図である。
【図１２】弾性部材を介してターゲットが研磨テーブルに連結された例を示す断面図である。
【図１３】図１２に示すターゲットの変形例を示す断面図である。
【図１４】図１２に示すターゲットの他の変形例を示す断面図である。
【図１５】図１２に示すターゲットのさらに他の変形例を示す断面図である。
【図１６】研磨パッドの一部がターゲットを構成している例を示す断面図である。
【図１７】研磨パッドの一部がターゲットを構成している他の例を示す断面図である。
【図１８】ターゲットとして液体を使用した例を示す断面図である。
【図１９】ターゲットの他の例を示す断面図である。
【図２０】図１９に示す構成の変形例を示す断面図である。
【図２１】図１９に示す構成の他の変形例を示す断面図である。
【図２２】図１９に示す構成の他の変形例を示す断面図である。
【図２３】図１９に示す構成の他の変形例を示す断面図である。
【図２４】振動測定部として光学式センサを用いた例を示す断面図である。
【図２５】図２４の変形例を示す断面図である。
【図２６】振動測定部に加え、反射強度測定部を設けた例を示す断面図である。
【図２７】研磨時間に従って変化する反射強度を示すグラフである。
【図２８】振動測定部に加えて、基板の被研磨面の画像を取得するカメラを備えた例を示す断面図である。
【図２９】振動測定部として、カメラおよび画像解析部を用いた例を示す断面図である。
【図３０】研磨テーブルにリファレンスセンサを設けた例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１      研磨パッド
２      研磨テーブル
３      トップリング
４      研磨液供給ノズル
６      トップリングシャフト
１０      ターゲット
１１      振動測定部
１２      制御部
１５      変位変換部材
２０      自由継手
２１      トップリング本体
２２      リテーナリング
２６      弾性パッド
２７      チャッキングプレート
３１〜３５    流体路
４０      圧力調整部
４５      凹部
４６      ばね
５０      部屋
５２      ミラー
５４      液体供給路
５５      液体排出路
５７      切れ込み線
５８      閉塞プレート
６０      流体供給路
６１      流体供給源
６２      圧力調整機構
６３      圧力センサ
６５，６６  光ファイバー
６７      光源
６８      光パワーメータ
７０      反射強度測定部
７１      分光器
７２      カメラ
７３，７４  画像解析部
７５      リファレンスセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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