(57)【要約】【課題】膜厚センサの測定周期を変えず、かつ測定データ量を増大させることなく、膜厚測定の空間分解能を向上させることができる研磨方法を提供する。【解決手段】研磨方法は、研磨テーブル３の中心Ｏから同じ距離に配置された第１膜厚センサ７ａおよび第２膜厚センサ７ｂを研磨テーブル３とともに回転させ、回転する研磨テーブル３上の研磨パッド２に研磨ヘッド１で基板Ｗを押し付けて該基板Ｗの表面を研磨しながら、第１膜厚センサ７ａおよび第２膜厚センサ７ｂは基板Ｗの表面上の、基板Ｗの中心からの距離が異なる測定点での膜厚を示す信号値を生成し、第１膜厚センサ７ａおよび第２膜厚センサ７ｂが生成した信号値に基づいて、研磨ヘッド１から基板Ｗに加えられる研磨圧力を制御する。【選択図】図１
2019084614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨テーブルの中心から同じ距離に配置された第１膜厚センサおよび第２膜厚センサを前記研磨テーブルとともに回転させ、
前記回転する研磨テーブル上の研磨パッドに研磨ヘッドで基板を押し付けて該基板の表面を研磨しながら、前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサは前記基板の表面上の、前記基板の中心からの距離が異なる測定点での膜厚を示す信号値を生成し、
前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサが生成した信号値に基づいて、前記研磨ヘッドから前記基板に加えられる研磨圧力を制御することを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
前記研磨テーブルのＮ回目の回転内の第１時点において前記第１膜厚センサが生成した信号値を取得し、
前記研磨テーブルのＮ回目の回転中に前記第２膜厚センサが生成した最新の信号値と、前記研磨テーブルのＮ−１回目の回転中に前記第２膜厚センサが生成した前回の信号値を取得し、
前記第１時点での前記第２膜厚センサの信号値に相当する補間信号値を、前記最新の信号値と前記前回の信号値から計算する工程をさらに含み、
前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサが生成した信号値に基づいて、前記研磨ヘッドから前記基板に加えられる研磨圧力を制御する工程は、前記第１時点で前記第１膜厚センサが生成した信号値、および前記補間信号値に基づいて、前記研磨ヘッドから前記基板に加えられる研磨圧力を制御する工程であることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
【請求項３】
前記補間信号値は、前記最新の信号値と前記前回の信号値の加重平均であることを特徴とする請求項２に記載の研磨方法。
【請求項４】
前記研磨テーブルの中心から前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサまで延びる２つの直線のなす角度をθ、前記最新の信号値をＳ２ａ、前記前回の信号値をＳ２ｂ、前記補間信号値をＷＡとすると、前記補間信号値は、
ＷＡ＝Ｓ２ａ×（（３６０−θ）／３６０）＋Ｓ２ｂ×（θ／３６０）
で与えられることを特徴とする請求項３に記載の研磨方法。
【請求項５】
前記第１膜厚センサが生成した信号値、および前記補間信号値を用いて、膜厚プロファイルを作成することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の研磨方法。
【請求項６】
前記第１膜厚センサが生成した信号値、および前記補間信号値に基づいて、前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の研磨方法。
【請求項７】
前記第１膜厚センサの信号値および前記補間信号値のうちのいずれか１つが目標値に達したときに前記基板の研磨を停止させることを特徴とする請求項６に記載の研磨方法。
【請求項８】
前記第１膜厚センサの信号値から換算された膜厚値および前記補間信号値から換算された膜厚値のうちのいずれか１つが目標値に達したときに前記基板の研磨を停止させることを特徴とする請求項６に記載の研磨方法。
【請求項９】
研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、
基板を前記研磨パッドに押し付けて前記基板を研磨する研磨ヘッドと、
前記研磨テーブルに設置され、前記研磨テーブルの中心から同じ距離に配置された第１膜厚センサおよび第２膜厚センサと、
前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサにトリガー信号を送信して、前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサに、前記基板の表面上の、前記基板の中心からの距離が異なる測定点での膜厚を示す信号値を生成させるセンサ制御部と、
前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサから前記信号値を受け取り、前記信号値に基づいて、前記研磨ヘッドから前記基板に加えられる研磨圧力の目標値を決定するデータ処理部を備えたことを特徴とする研磨装置。
【請求項１０】
前記研磨テーブルの回転位置を検出するテーブル回転位置検出器をさらに備え、
前記センサ制御部は、前記テーブル回転位置検出器から送られた前記研磨テーブルの回転位置信号と前記研磨テーブルの回転速度に基づいて、トリガー信号を前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサに送信するタイミングを決定し、前記決定されたタイミングで前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサに前記トリガー信号を送信して、前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサに、前記基板の表面上の、前記基板の中心からの距離が異なる測定点での膜厚を示す信号値を生成させることを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
【請求項１１】
前記研磨圧力の目標値に基づいて、前記研磨ヘッドから前記基板に加えられる研磨圧力を制御する動作制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項９または１０に記載の研磨装置。
【請求項１２】
前記データ処理部は、
前記研磨テーブルのＮ回目の回転内の第１時点において前記第１膜厚センサが生成した信号値を取得し、
前記研磨テーブルのＮ回目の回転中に前記第２膜厚センサが生成した最新の信号値と、前記研磨テーブルのＮ−１回目の回転中に前記第２膜厚センサが生成した前回の信号値を取得し、
前記第１時点での前記第２膜厚センサの信号値に相当する補間信号値を、前記最新の信号値と前記前回の信号値から計算し、
前記第１時点で前記第１膜厚センサが生成した信号値、および前記補間信号値に基づいて、前記研磨ヘッドから前記基板に加えられる研磨圧力の目標値を決定するように構成されていることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１３】
前記研磨テーブルの中心から前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサまで延びる２つの直線のなす角度をθ、前記最新の信号値をＳ２ａ、前記前回の信号値をＳ２ｂ、前記補間信号値をＷＡとすると、前記データ処理部は、
ＷＡ＝Ｓ２ａ×（（３６０−θ）／３６０）＋Ｓ２ｂ×（θ／３６０）
で表される式をその内部に予め格納してい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】
前記データ処理部は、前記第１膜厚センサが生成した信号値、および前記補間信号値を用いて、膜厚プロファイルを作成するように構成されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の研磨装置。
【請求項１５】
前記データ処理部は、前記第１膜厚センサが生成した信号値、および前記補間信号値に基づいて、前記基板の研磨終点を決定するように構成されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェーハなどの基板を研磨する方法および装置に関し、特に、基板の中心部およびエッジ部を含む基板の表面上の膜厚分布を基板の研磨中に取得し、得られた膜厚分布に基づいて基板に加える研磨圧力を制御し、および／または研磨終点を検出する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの微細化は配線幅が１０ｎｍを下回る段階まで進展し、それに伴い膜厚についてもナノメーターレベルの厳密な管理が必要になっている。一般的な研磨終点検出システムは、研磨テーブルに設置された１つの膜厚センサでウェーハの膜厚を測定し、膜厚の測定値に基づいて研磨終点を検出する。しかしながら、研磨終点検出の分解能は研磨テーブル一回転あたりの研磨量に相当し、研磨終点を高精度に検出するには十分ではなかった。
【０００３】
そこで、特許文献１に開示されているように、複数の膜厚センサを研磨テーブルに設置することで、研磨テーブル一回転あたりの研磨終点検出の分解能を向上させる技術がある。この技術によれば、研磨終点の精度向上のみならず、ウェーハ研磨中の膜厚コントロール精度を向上させることができる。すなわち、ウェーハの中心部およびエッジ部を含むウェーハの全面における膜厚分布をウェーハの研磨中に取得し、得られた膜厚分布に基づいてウェーハへの研磨圧力を制御することで、ウェーハ面内の膜厚均一性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１３８４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最近では、ウェーハ研磨中の膜厚プロファイルをより精密に制御することが求められている。特に、ウェーハのエッジ部の膜厚は、ウェーハ中心からの半径方向の距離に従って比較的大きく変化し、エッジ部内のより細かい領域に対する研磨圧力を制御することが求められている。このような要請に応えるためには、膜厚測定の空間分解能を向上させることで膜厚分布を精密に測定することが重要である。膜厚測定の空間分解能を向上させるための一つの解決策は、膜厚センサの測定周期を短くすることである。しかしながら、膜厚センサの測定周期を短くすると、研磨テーブル一回転あたりの測定データ量が増大し、データ通信量および計算負荷の増加を招いてしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、膜厚センサの測定周期を変えず、かつ測定データ量を増大させることなく、膜厚測定の空間分解能を向上させることができる研磨方法および研磨装置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】
【０００７】
本発明の一態様は、研磨テーブルの中心から同じ距離に配置された第１膜厚センサおよび第２膜厚センサを前記研磨テーブルとともに回転させ、前記回転する研磨テーブル上の研磨パッドに研磨ヘッドで基板を押し付けて該基板の表面を研磨しながら、前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサは前記基板の表面上の、前記基板の中心からの距離が異なる測定点での膜厚を示す信号値を生成し、前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサが生成した信号値に基づいて、前記研磨ヘッドから前記基板に加えられる研磨圧力を制御することを特徴とする研磨方法である。
【０００８】
本発明の好ましい態様は、前記研磨テーブルのＮ回目の回転内の第１時点において前記第１膜厚センサが生成した信号値を取得し、前記研磨テーブルのＮ回目の回転中に前記第２膜厚センサが生成した最新の信号値と、前記研磨テーブルのＮ−１回目の回転中に前記第２膜厚センサが生成した前回の信号値を取得し、前記第１時点での前記第２膜厚センサの信号値に相当する補間信号値を、前記最新の信号値と前記前回の信号値から計算する工程をさらに含み、前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサが生成した信号値に基づいて、前記研磨ヘッドから前記基板に加えられる研磨圧力を制御する工程は、前記第１時点で前記第１膜厚センサが生成した信号値、および前記補間信号値に基づいて、前記研磨ヘッドから前記基板に加えられる研磨圧力を制御する工程であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の好ましい態様は、前記補間信号値は、前記最新の信号値と前記前回の信号値の加重平均であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨テーブルの中心から前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサまで延びる２つの直線のなす角度をθ、前記最新の信号値をＳ２ａ、前記前回の信号値をＳ２ｂ、前記補間信号値をＷＡとすると、前記補間信号値は、
ＷＡ＝Ｓ２ａ×（（３６０−θ）／３６０）＋Ｓ２ｂ×（θ／３６０）
で与えられることを特徴とする。
【００１０】
本発明の好ましい態様は、前記第１膜厚センサが生成した信号値、および前記補間信号値を用いて、膜厚プロファイルを作成することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１膜厚センサが生成した信号値、および前記補間信号値に基づいて、前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１膜厚センサの信号値および前記補間信号値のうちのいずれか１つが目標値に達したときに前記基板の研磨を停止させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１膜厚センサの信号値から換算された膜厚値および前記補間信号値から換算された膜厚値のうちのいずれか１つが目標値に達したときに前記基板の研磨を停止させることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一態様は、研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付けて前記基板を研磨する研磨ヘッドと、前記研磨テーブルに設置され、前記研磨テーブルの中心から同じ距離に配置された第１膜厚センサおよび第２膜厚センサと、前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサにトリガー信号を送信して、前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサに、前記基板の表面上の、前記基板の中心からの距離が異なる測定点での膜厚を示す信号値を生成させるセンサ制御部と、前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサから前記信号値を受け取り、前記信号値に基づいて、前記研磨ヘッドから前記基板に加えられる研磨圧力の目標値を決定するデータ処理部を備えたことを特徴とする研磨装置である。
【００１２】
本発明の好ましい態様は、前記研磨テーブルの回転位置を検出するテーブル回転位置検出器をさらに備え、前記センサ制御部は、前記テーブル回転位置検出器から送られた前記研磨テーブルの回転位置信号と前記研磨テーブルの回転速度に基づいて、トリガー信号を前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサに送信するタイミングを決定し、前記決定されたタイミングで前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサに前記トリガー信号を送信して、前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサに、前記基板の表面上の、前記基板の中心からの距離が異なる測定点での膜厚を示す信号値を生成させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨圧力の目標値に基づいて、前記研磨ヘッドから前記基板に加えられる研磨圧力を制御する動作制御部をさらに備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい態様は、前記データ処理部は、前記研磨テーブルのＮ回目の回転内の第１時点において前記第１膜厚センサが生成した信号値を取得し、前記研磨テーブルのＮ回目の回転中に前記第２膜厚センサが生成した最新の信号値と、前記研磨テーブルのＮ−１回目の回転中に前記第２膜厚センサが生成した前回の信号値を取得し、前記第１時点での前記第２膜厚センサの信号値に相当する補間信号値を、前記最新の信号値と前記前回の信号値から計算し、前記第１時点で前記第１膜厚センサが生成した信号値、および前記補間信号値に基づいて、前記研磨ヘッドから前記基板に加えられる研磨圧力の目標値を決定するように構成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の好ましい態様は、前記研磨テーブルの中心から前記第１膜厚センサおよび前記第２膜厚センサまで延びる２つの直線のなす角度をθ、前記最新の信号値をＳ２ａ、前記前回の信号値をＳ２ｂ、前記補間信号値をＷＡとすると、前記データ処理部は、
ＷＡ＝Ｓ２ａ×（（３６０−θ）／３６０）＋Ｓ２ｂ×（θ／３６０）
で表される式をその内部に予め格納していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記データ処理部は、前記第１膜厚センサが生成した信号値、および前記補間信号値を用いて、膜厚プロファイルを作成するように構成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記データ処理部は、前記第１膜厚センサが生成した信号値、および前記補間信号値に基づいて、前記基板の研磨終点を決定するように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、第１膜厚センサおよび第２膜厚センサの測定点の基板中心からの距離は異なるので、膜厚測定周期を変えることなく、かつ研磨テーブル一回転あたりに得られる信号値の数を増やすことなく、膜厚測定の空間分解能を向上することができる。さらに、本発明によれば、研磨テーブルのＮ回目の回転時に得られた最新の信号値と、研磨テーブルのＮ−１回目の回転時に得られた前回の信号値とから、第２膜厚センサの補間信号値が計算される。この補間信号値は、第１膜厚センサの信号値と同一時点で生成された第２膜厚センサの信号値に相当する。したがって、第１膜厚センサの信号値および補間信号値を用いて、正確かつ精密な膜厚プロファイルを作成することができる。結果として、膜厚プロファイルに基づいて、適切な研磨圧力を基板に与えることができるとともに、膜厚プロファイルに基づいて、研磨終点を正確に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】研磨装置の一実施形態を示す模式図である。
【図２】図１に示すデータ処理部、動作制御部、センサ制御部が１台のコンピュータから構成された一実施形態を示す模式図である。
【図３】研磨ヘッドの断面図である。
【図４】研磨テーブル内に設置された第１膜厚センサ、第２膜厚センサ、および第３膜厚センサの配置を示す平面図である。
【図５】第１膜厚センサ、第２膜厚センサ、および第３膜厚センサの軌跡および測定点を示す図である。
【図６】図５に示す３つの軌跡を重ね合わせて１つの軌跡を作成し、この１つの軌跡上に第１膜厚センサ、第２膜厚センサ、および第３膜厚センサの測定点を配列した図である。
【図７】研磨テーブルの回転に伴う各測定点での信号値の変化を示すグラフである。
【図８】従来の研磨方法に従った研磨テーブルの回転に伴う各測定点での信号値の変化を示すグラフである。
【図９】図７に示すグラフの一部を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、研磨装置の一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、基板の一例であるウェーハＷを研磨パッド２に押し付ける研磨ヘッド１と、研磨テーブル３を回転させるテーブルモータ６と、研磨パッド２上に研磨液（スラリー）を供給するための研磨液供給ノズル５とを備えている。研磨パッド２の表面は、ウェーハＷを研磨する研磨面２ａを構成する。研磨テーブル３はテーブルモータ６に連結されており、研磨テーブル３および研磨パッド２を一体に回転させるように構成されている。研磨ヘッド１は、研磨ヘッドシャフト１１の端部に固定されており、研磨ヘッドシャフト１１は、ヘッドアーム１５に回転可能に支持されている。
【００１８】
ウェーハＷは次のようにして研磨される。研磨テーブル３および研磨ヘッド１を図１の矢印で示す方向に回転させながら、研磨液供給ノズル５から研磨液が研磨テーブル３上の研磨パッド２の研磨面２ａに供給される。ウェーハＷは研磨ヘッド１によって回転されながら、研磨パッド２とウェーハＷとの間に研磨液が存在した状態で研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けられる。ウェーハＷの表面は、研磨液の化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒による機械的作用により研磨される。
【００１９】
研磨テーブル３内には３つの膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃが配置されている。膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃは、ウェーハＷの表面上の所定の測定点での膜厚を示す信号値を生成するセンサである。膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃは研磨テーブル３および研磨パッド２とともに一体に回転する。膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃの位置は、研磨テーブル３および研磨パッド２が一回転するたびに研磨パッド２上のウェーハＷの表面（すなわち被研磨面である下面）を横切る位置である。膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃは、ウェーハＷの表面を横切りながら、信号値を生成する。膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃは、データ処理部９Ａに接続されており、膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃから出力された信号値はデータ処理部９Ａに送られるようになっている。
【００２０】
研磨装置は、研磨ヘッド１、研磨テーブル３、および研磨液供給ノズル５の動作を制御する動作制御部９Ｂをさらに備えている。さらに、研磨装置は、膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃの動作を制御するセンサ制御部９Ｃを備えている。膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃはセンサ制御部９Ｃに接続されている。動作制御部９Ｂはデータ処理部９Ａに接続され、センサ制御部９Ｃは動作制御部９Ｂに接続されている。データ処理部９Ａ、動作制御部９Ｂ、センサ制御部９Ｃは、それぞれ汎用または専用のコンピュータから構成することができる。あるいは、図２に示す一実施形態のように、データ処理部９Ａ、動作制御部９Ｂ、センサ制御部９Ｃは、１台の汎用または専用のコンピュータ９から構成されてもよい。
【００２１】
動作制御部９Ｂは、測定開始信号および測定条件情報をセンサ制御部９Ｃに送信する。測定開始信号を受け取ると、センサ制御部９Ｃは、研磨テーブル３が一回転するたびに、膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃにそれぞれトリガー信号を送る。膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃは、トリガー信号を受け取ったときに、上記信号値を生成する。各膜厚センサへのトリガー信号の送信周期は、測定条件情報に含まれる測定周期に相当する。すなわち、センサ制御部９Ｃは、測定条件情報に含まれる測定周期でトリガー信号を生成し、トリガー信号を連続的に各膜厚センサに送る。
【００２２】
センサ制御部９Ｃは、テーブル回転位置検出器１９から送られてくる研磨テーブル３の回転位置信号と研磨テーブル３の回転速度に基づいて、トリガー信号を膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃに送信するタイミングを決定する。センサ制御部９Ｃは、決定したタイミングでトリガー信号を膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃに送信する。より具体的には、センサ制御部９Ｃは、膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃに異なるタイミングでトリガー信号を送信する。したがって、研磨テーブル３が一回転するたびに、膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃは、ウェーハＷの表面を横切りながら、異なるタイミングで上記信号値を生成する。
【００２３】
テーブル回転位置検出器１９は、研磨テーブル３に固定されたセンサターゲット２０と、研磨テーブル３の側方に配置された近接センサ２１との組み合わせから構成される。センサターゲット２０は研磨テーブル３とともに回転し、その一方で近接センサ２１の位置は固定されている。近接センサ２１はセンサターゲット２０を感知すると、センサ制御部９Ｃに研磨テーブル３の回転位置信号を送信する。センサ制御部９Ｃは、研磨テーブル３の回転位置信号と研磨テーブル３の回転速度に基づいて、研磨テーブル３の現在の回転位置を計算することができる。一実施形態では、テーブル回転位置検出器１９は、テーブルモータ６のモータドライバ２３から構成してもよい。
【００２４】
本実施形態では、３つの膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃが研磨テーブル３の中心Ｏの周りに等間隔で配置されている。膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃの研磨テーブル３の中心Ｏからの距離は同じである。したがって、研磨テーブル３の回転に伴い、膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃは同じ軌道Ｐ上を移動しながら、ウェーハＷの表面を横切る。ウェーハＷの研磨中は、研磨ヘッド１および研磨テーブル３はそれぞれ回転しているが、研磨テーブル３に対する研磨ヘッド１の相対的な位置は固定されている。
【００２５】
一実施形態では、２つの膜厚センサのみを研磨テーブル３の中心Ｏの周りに設けてもよく、または４つ以上の膜厚センサを研磨テーブル３の中心Ｏの周りに設けてもよい。複数の膜厚センサは、研磨テーブル３の中心Ｏの周りに等間隔で配置することが好ましいが、等間隔でなくてもよい。
【００２６】
次に、研磨ヘッド１について説明する。図３は、研磨ヘッド１を示す断面図である。研磨ヘッド１は、研磨ヘッドシャフト１１の端部に固定されたヘッド本体３１と、ヘッド本体３１の下部に取り付けられたメンブレン（弾性膜）３４と、ヘッド本体３１の下方に配置されたリテーナリング３２とを備えている。リテーナリング３２は、メンブレン３４の周囲に配置されており、ウェーハＷの研磨中にウェーハＷが研磨ヘッド１から飛び出さないようにするためにウェーハＷを保持する環状の構造体である。
【００２７】
メンブレン３４とヘッド本体３１との間には、４つの圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が設けられている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４はメンブレン３４とヘッド本体３１によって形成されている。中央の圧力室Ｃ１は円形であり、他の圧力室Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は環状である。これらの圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、同心上に配列されている。
【００２８】
圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４にはそれぞれ気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４が接続されている。気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の一端は、研磨装置が設置されている工場に設けられたユーティリティとしての圧縮気体供給源（図示せず）に接続されている。圧縮空気等の圧縮気体は、気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を通じて圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４にそれぞれ供給されるようになっている。
【００２９】
圧力室Ｃ３に連通する気体移送ラインＦ３は、図示しない真空ラインに接続されており、圧力室Ｃ３内に真空を形成することが可能となっている。圧力室Ｃ３を構成する、メンブレン３４の部位には開口が形成されており、圧力室Ｃ３に真空を形成することによりウェーハＷが研磨ヘッド１に吸着保持される。また、この圧力室Ｃ３に圧縮気体を供給することにより、ウェーハＷが研磨ヘッド１からリリースされる。
【００３０】
ヘッド本体３１とリテーナリング３２との間には、環状のメンブレン（ローリングダイヤフラム）３６が配置されおり、このメンブレン３６の内部には圧力室Ｃ５が形成されている。圧力室Ｃ５は、気体移送ラインＦ５を介して上記圧縮気体供給源に連結されている。圧縮気体は、気体移送ラインＦ５を通じて圧力室Ｃ５内に供給され、圧力室Ｃ５はリテーナリング３２を研磨パッド２に対して押圧する。
【００３１】
気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は、研磨ヘッドシャフト１１に取り付けられたロータリージョイント４０を経由して延びている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５に連通する気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５には、それぞれ圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５が設けられている。圧縮気体供給源からの圧縮気体は、圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５を通って圧力室Ｃ１〜Ｃ５内にそれぞれ独立に供給される。圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５は、圧力室Ｃ１〜Ｃ５内の圧縮気体の圧力を調節するように構成されている。
【００３２】
圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５は、圧力室Ｃ１〜Ｃ５の内部圧力を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、ウェーハＷの対応する４つの領域、すなわち、中央部、内側中間部、外側中間部、およびエッジ部に対する研磨圧力、およびリテーナリング３２の研磨パッド２への押圧力を独立に調節することができる。気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は大気開放弁（図示せず）にもそれぞれ接続されており、圧力室Ｃ１〜Ｃ５を大気開放することも可能である。本実施形態では、メンブレン３４は、４つの圧力室Ｃ１〜Ｃ４を形成するが、一実施形態では、メンブレン３４は４つよりも少ない、または４つよりも多い圧力室を形成してもよい。
【００３３】
データ処理部９Ａ（図１および図２参照）は、ウェーハＷの膜厚を示す信号値を膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃから受け取り、信号値に基づいて、目標膜厚プロファイルを達成するための圧力室Ｃ１〜Ｃ５の目標圧力値を決定し、目標圧力値を動作制御部９Ｂに送信する。圧力室Ｃ１〜Ｃ４の目標圧力値は、研磨ヘッド１からウェーハＷに加えられる研磨圧力の目標値に相当する。また、圧力室Ｃ５の目標圧力値は、リテーナリング３２から研磨パッド２に加えられる押圧力の目標値に相当する。圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５は動作制御部９Ｂに接続されている。動作制御部９Ｂは、圧力室Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれの目標圧力値を指令値として圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５に送り、圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５は、圧力室Ｃ１〜Ｃ５内の圧力が対応する目標圧力値に維持されるように動作する。
【００３４】
研磨ヘッド１はウェーハＷの複数の領域に対して、独立した研磨圧力をそれぞれ加えることができる。例えば、研磨ヘッド１は、ウェーハＷの表面の異なる領域を異なる研磨圧力で研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けることができる。したがって、研磨ヘッド１は、ウェーハＷの膜厚プロファイルを制御して、目標とする膜厚プロファイルを達成することができる。
【００３５】
膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃは、ウェーハＷの膜厚に従って変化する信号値を出力するセンサである。信号値は、膜厚を直接または間接に示す数値またはデータ（数値群）である。膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃは、例えば、光学式膜厚センサまたは渦電流センサから構成される。光学式膜厚センサは、ウェーハＷの表面に光を照射し、ウェーハＷからの反射光の強度を波長ごとに測定し、波長に関連付けられた反射光の強度を出力するように構成される。波長に関連付けられた反射光の強度は、ウェーハＷの膜厚に従って変化する信号値である。渦電流センサは、ウェーハＷに形成されている導電膜に渦電流を誘起させ、導電膜と渦電流センサのコイルとを含む電気回路のインピーダンスに従って変化する信号値を出力する。本実施形態に使用される光学式膜厚センサおよび渦電流センサは、公知の装置を使用することができる。
【００３６】
図４は、研磨テーブル３内に設置された第１膜厚センサ７ａ、第２膜厚センサ７ｂ、および第３膜厚センサ７ｃの配置を示す平面図である。図４では、研磨パッド２の図示は省略されている。記号θは研磨テーブル３の中心Ｏから第１膜厚センサ７ａおよび第２膜厚センサ７ｂまで延びる２つの直線のなす角度を表す。本実施形態では、第１膜厚センサ７ａ、第２膜厚センサ７ｂ、および第３膜厚センサ７ｃは、研磨テーブル３の中心Ｏの周りに等間隔で配置されているので、角度θは１２０°である。
【００３７】
図４に示すように、第１膜厚センサ７ａ、第２膜厚センサ７ｂ、および第３膜厚センサ７ｃは、研磨テーブル３の中心Ｏから同じ距離に配置されており、かつ研磨テーブル３の周方向において互いに離間している。したがって、研磨テーブル３が回転しているとき、第１膜厚センサ７ａ、第２膜厚センサ７ｂ、および第３膜厚センサ７ｃは、同じ軌道Ｐ上を移動しながら、異なるタイミングでウェーハＷの表面を走査する。
【００３８】
図５は、第１膜厚センサ７ａ、第２膜厚センサ７ｂ、および第３膜厚センサ７ｃの測定点を示す図である。研磨ヘッド１と研磨テーブル３は異なる回転速度で回転している。したがって、第１膜厚センサ７ａ、第２膜厚センサ７ｂ、および第３膜厚センサ７ｃはウェーハＷ上に異なる軌跡を描いて予め定められた複数の測定点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３での膜厚を示す信号値を生成する。すなわち、研磨テーブル３が一回転するたびに、第１膜厚センサ７ａはウェーハＷの表面上の予め定められた複数の測定点Ｍ１での膜厚を示す信号値を生成する。同様に、研磨テーブル３が一回転するたびに、第２膜厚センサ７ｂはウェーハＷの表面上の予め定められた複数の測定点Ｍ２での膜厚を示す信号値を生成し、第３膜厚センサ７ｃはウェーハＷの表面上の予め定められた複数の測定点Ｍ３での膜厚を示す信号値を生成する。測定点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、ウェーハＷの表面上の、ウェーハＷの中心からの距離が異なる測定点である。
【００３９】
ウェーハＷの研磨中は、研磨テーブル３に対する研磨ヘッド１の相対的な位置は固定されているので、研磨テーブル３が一回転するたびに、第１膜厚センサ７ａ、第２膜厚センサ７ｂ、および第３膜厚センサ７ｃは、ウェーハＷの表面を横切る。より具体的には、研磨テーブル３が一回転するたびに、第１膜厚センサ７ａ、第２膜厚センサ７ｂ、および第３膜厚センサ７ｃは、ウェーハＷの表面を横切りながら、ウェーハＷの中心からの距離が異なる測定点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３での膜厚を示す信号値を生成する。データ処理部９Ａは、信号値を膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃから受け取り、これら信号値を処理する。
【００４０】
データ処理部９Ａは、図５に示す膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃのウェーハＷ上の３つの軌跡を重ね合わせて１つの軌跡を形成し、図６に示すように、この１つの軌跡上に測定点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を配列する。ウェーハＷの中心から複数の測定点Ｍ１までの各距離は、ウェーハＷの中心から複数の測定点Ｍ２までの各距離とは異なり、さらにウェーハＷの中心から複数の測定点Ｍ３までの各距離とも異なる。したがって、図６に示すように、第１膜厚センサ７ａの複数の測定点Ｍ１、第２膜厚センサ７ｂの複数の測定点Ｍ２、および第３膜厚センサ７ｃの複数の測定点Ｍ３は順番に並んでおり、重複しない。
【００４１】
図７は、研磨テーブル３の回転に伴う各測定点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３での信号値の変化を示すグラフである。第１膜厚センサ７ａの信号値は黒い四角で表され、第２膜厚センサ７ｂの信号値は黒い丸で表され、および第３膜厚センサ７ｃの信号値は黒い三角で表されている。図７から分かるように、研磨テーブル３の回転に伴ってウェーハＷの研磨が進行し、結果として、膜厚を示す信号値は変化する。第１膜厚センサ７ａ、第２膜厚センサ７ｂ、および第３膜厚センサ７ｃは、重複しない測定点、すなわちウェーハＷの中心からの距離が異なる測定点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３（図５参照）での膜厚を示す信号値を生成する。
【００４２】
図８は、従来の研磨方法に従った研磨テーブル３の回転に伴う各測定点での信号値の変化を示すグラフである。この従来例では、第１膜厚センサ７ａ、第２膜厚センサ７ｂ、および第３膜厚センサ７ｃは、重複する測定点、すなわち同じ複数の測定点での膜厚を示す信号値を生成する。研磨テーブル３の一回転あたりに得られる信号値の数は図７に示す実施形態と同じであるが、研磨テーブル３の一回転あたりの膜厚の測定点の数は、図７に示す本実施形態よりも少ない。
【００４３】
図７に示す本実施形態によれば、複数の（本実施形態では３つの）膜厚センサ７ａ，７ｂ，７ｃは、研磨テーブル３が一回転するたびに、ウェーハＷの中心からの距離が異なる測定点での膜厚を示す信号値を順番に生成する。したがって、膜厚測定周期を変えることなく、かつ研磨テーブル３の一回転あたりに得られる信号値の数を増やすことなく、膜厚測定の空間分解能を向上することができる。
【００４４】
さらに、本実施形態では、以下に説明するように、第２膜厚センサ７ｂの信号値および第３膜厚センサ７ｃの信号値をそれぞれ補間して、第１膜厚センサ７ａの信号値と同一時点で生成された信号値に相当する補間信号値を生成する。
【００４５】
図９は、図７に示すグラフの一部を示す拡大図である。ウェーハＷの研磨中、すなわち、研磨テーブル３が回転しているとき、データ処理部９Ａは、研磨テーブル３のＮ回目の回転内の第１時点ｔ１において第１膜厚センサ７ａが生成した信号値Ｓ１を取得し、さらに、研磨テーブル３のＮ回目の回転中に第２膜厚センサ７ｂが生成した最新の信号値Ｓ２ａと、研磨テーブル３のＮ−１回目の回転中に第２膜厚センサ７ｂが生成した前回の信号値Ｓ２ｂを取得する。Ｎは自然数である（Ｎ≧１）。データ処理部９Ａは、第１時点ｔ１での第２膜厚センサ７ｂの信号値に相当する補間信号値ＷＡを、最新の信号値Ｓ２ａと前回の信号値Ｓ２ｂから計算する。
【００４６】
補間信号値は、最新の信号値と前回の信号値の加重平均である。より具体的には、補間信号値ＷＡは、次の式（１）で与えられる。
【数１】
2019084614.tif 000003
ただし、θは研磨テーブル３の中心Ｏから第１膜厚センサ７ａおよび第２膜厚センサ７ｂまで延びる２つの直線のなす角度を表す。本実施形態では、第１膜厚センサ７ａ、第２膜厚センサ７ｂ、および第３膜厚センサ７ｃは、研磨テーブル３の中心Ｏの周りに等間隔で配置されているので、角度θは１２０°である。角度θが小さくなるほど、第２膜厚センサ７ｂは第１膜厚センサ７ａに近づき、加重平均の重みは増加する。
【００４７】
データ処理部９Ａは、その内部に上記式（１）を予め格納している。データ処理部９Ａは、他の測定点での膜厚を示す第２膜厚センサ７ｂの最新の信号値と前回の信号値から、同様にして式（１）を用いて補間信号値（図９では白丸で表す）を算出する。
【００４８】
同様に、ウェーハＷの研磨中、データ処理部９Ａは、研磨テーブル３のＮ回目の回転中に第３膜厚センサ７ｃが生成した最新の信号値Ｓ３ａと、研磨テーブル３のＮ−１回目の回転中に第３膜厚センサ７ｃが生成した前回の信号値Ｓ３ｂを取得する。さらに、データ処理部９Ａは、第１時点ｔ１での第３膜厚センサ７ｃの信号値に相当する補間信号値ＷＡ’（図９では白い三角で表す）を、最新の信号値Ｓ３ａと前回の信号値Ｓ３ｂから計算する。補間信号値ＷＡ’は、上記式（１）のＳ２ａをＳ３ａに、Ｓ２ｂをＳ３ｂに置き換えた上で、上記式（１）を用いて算出することができる。本実施形態では、研磨テーブル３の中心Ｏから第１膜厚センサ７ａおよび第３膜厚センサ７ｃまで延びる２つの直線のなす角度θは、２４０°である。
【００４９】
補間信号値ＷＡ，ＷＡ’は、第１膜厚センサ７ａの信号値Ｓ１と同一時点ｔ１で生成された信号値に相当する。したがって、データ処理部９Ａは、第１膜厚センサ７ａの信号値Ｓ１および補間信号値ＷＡ，ＷＡ’を用いて、正確かつ精密な膜厚プロファイルを作成することができる。データ処理部９Ａは、第１膜厚センサ７ａの信号値Ｓ１および補間信号値ＷＡ，ＷＡ’に基づいて、目標膜厚プロファイルを達成するための圧力室Ｃ１〜Ｃ５（図３参照）の目標圧力値を決定し、目標圧力値を動作制御部９Ｂに送信する。圧力室Ｃ１〜Ｃ４の目標圧力値は、研磨ヘッド１からウェーハＷに加えられる研磨圧力の目標値に相当する。また、圧力室Ｃ５の目標圧力値は、リテーナリング３２から研磨パッド２に加えられる押圧力の目標値に相当する。動作制御部９Ｂは、圧力室Ｃ１〜Ｃ５の目標圧力値をデータ処理部９Ａから受け取り、圧力室Ｃ１〜Ｃ５の目標圧力値に基づいて、研磨ヘッド１からウェーハＷに加えられる研磨圧力、およびリテーナリング３２から研磨パッド２に加えられる押圧力を制御する。信号値Ｓ１、補間信号値ＷＡ，ＷＡ’がウェーハＷの膜厚を間接的に表している場合は、データ処理部９Ａは、第１膜厚センサ７ａの信号値Ｓ１および補間信号値ＷＡ，ＷＡ’をそれぞれ膜厚値に換算し、膜厚値から膜厚プロファイルを作成し、研磨ヘッド１からウェーハＷに加えられる研磨圧力の目標値およびリテーナリング３２から研磨パッド２に加えられる押圧力の目標値、すなわち圧力室Ｃ１〜Ｃ５の目標圧力値を、膜厚値（または膜厚プロファイル）に基づいて決定してもよい。
【００５０】
さらに、データ処理部９Ａは、第１膜厚センサ７ａの信号値Ｓ１および補間信号値ＷＡ，ＷＡ’に基づいて、ウェーハＷの研磨終点を決定することができる。例えば、データ処理部９Ａは、第１膜厚センサ７ａの信号値Ｓ１および補間信号値ＷＡ，ＷＡ’のいずれかが所定の目標値に達した時点である研磨終点を決定する。信号値Ｓ１、補間信号値ＷＡ，ＷＡ’が膜厚を間接的に表している場合は、データ処理部９Ａは、第１膜厚センサ７ａの信号値Ｓ１および補間信号値ＷＡ，ＷＡ’をそれぞれ膜厚値に換算し、いずれかの膜厚値が所定の目標値に達した時点である研磨終点を決定する。データ処理部９Ａは、研磨終点を決定したとき、研磨終点検出信号を生成する。データ処理部９Ａは、この研磨終点検出信号を動作制御部９Ｂに送る。動作制御部９Ｂは、研磨終点検出信号を受け取ったとき、研磨ヘッド１に指令を発してウェーハＷの研磨動作を停止させる。
【００５１】
ウェーハＷの過研磨を防止するために、第１膜厚センサ７ａの信号値Ｓ１（または信号値Ｓ１から換算された膜厚値）および補間信号値ＷＡ，ＷＡ’（または補間信号値ＷＡ，ＷＡ’から換算された膜厚値）のうちのいずれか１つが目標値に達したときに速やかにウェーハＷの研磨を停止させることが好ましい。例えば、データ処理部９Ａは、第１膜厚センサ７ａの信号値Ｓ１（または信号値Ｓ１から換算された膜厚値）が目標値に達したときに研磨終点検出信号を生成し、補間信号値ＷＡ，ＷＡ’を計算する前に、研磨終点検出信号を動作制御部９Ｂに送る。動作制御部９Ｂは、研磨終点検出信号を受け取ったとき、研磨ヘッド１に指令を発してウェーハＷの研磨動作を停止させる。別の例では、データ処理部９Ａは、補間信号値ＷＡ（または補間信号値ＷＡから換算された膜厚値）が目標値に達したときに研磨終点検出信号を生成し、補間信号値ＷＡ’を計算する前に、研磨終点検出信号を動作制御部９Ｂに送る。動作制御部９Ｂは、研磨終点検出信号を受け取ったとき、研磨ヘッド１に指令を発してウェーハＷの研磨動作を停止させる。このような動作によれば、ウェーハＷの過研磨を防止することができる。
【００５２】
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。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００５３】
１      研磨ヘッド
２      研磨パッド
２ａ    研磨面
３      研磨テーブル
５      研磨液供給ノズル
６      テーブルモータ
７ａ，７ｂ，７ｃ    膜厚センサ
９      コンピュータ
９Ａ    データ処理部
９Ｂ    動作制御部
９Ｃ    センサ制御部
１１      研磨ヘッドシャフト
１５      ヘッドアーム
１９      テーブル回転位置検出器
２０      センサターゲット
２１      近接センサ
２３      モータドライバ
３１      ヘッド本体
３２      リテーナリング
３４      メンブレン（弾性膜）
３６      メンブレン（ローリングダイヤフラム）
４０      ロータリージョイント
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５    圧力室
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５    気体移送ライン
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５    圧力レギュレータ
【図１】
2019084614.tif 000004
【図２】
2019084614.tif 000005
【図３】
2019084614.tif 000006
【図４】
2019084614.tif 000007
【図５】
2019084614.tif 000008
【図６】
2019084614.tif 000009
【図７】
2019084614.tif 000010
【図８】
2019084614.tif 000011
【図９】
2019084614.tif 000012