(57)【要約】【課題】膜厚の測定精度を向上させることができる膜厚測定装置および膜厚測定方法を提供する。【解決手段】膜厚測定装置は、基板Ｗを水平に支持する基板ステージ８７と、基板ステージ８７上の基板Ｗの表面全体にリンス水を供給するリンス水供給部９０と、基板ステージ８７上の基板Ｗの表面上の測定領域に光を照射し、測定領域からの反射光のスペクトルを生成し、該スペクトルから基板Ｗの膜厚を決定する膜厚測定ヘッド８４と、光の光路上に気体の噴流を形成し、該気体の噴流を測定領域に当てる気体噴射部１３０とを備える。【選択図】図６
2015016540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を水平に支持する基板ステージと、
前記基板ステージ上の基板の表面全体にリンス水を供給するリンス水供給部と、
前記基板ステージ上の前記基板の表面上の測定領域に光を照射し、前記測定領域からの反射光のスペクトルを生成し、該スペクトルから前記基板の膜厚を決定する膜厚測定ヘッドと、
前記光の光路上に気体の噴流を形成し、該気体の噴流を前記測定領域に当てる気体噴射部とを備えたことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
基板を水平に支持する基板ステージと、
前記基板ステージ上の基板の表面全体にリンス水を供給するリンス水供給部と、
前記基板の表面に接触または近接可能な開口部を有するノズルと、
前記ノズル内に液体を供給する液体供給ラインと、
前記ノズル内の液体を通して、前記基板ステージ上の前記基板の表面上の測定領域に光を照射し、前記測定領域からの反射光のスペクトルを生成し、該スペクトルから前記基板の膜厚を決定する膜厚測定ヘッドとを備えたことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項３】
基板を水平に支持し、
前記基板の表面全体にリンス水を供給し、
前記基板の表面上の測定領域に光を照射しながら、光の光路上に気体の噴流を形成し、かつ該気体の噴流を前記測定領域に当て、
前記測定領域からの反射光のスペクトルを生成し、
前記スペクトルから前記基板の膜厚を決定することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項４】
基板を水平に支持し、
前記基板の表面全体にリンス水を供給し、
ノズルの開口部を前記基板の表面に接触または近接させ、
前記ノズル内に液体を供給し、
前記ノズル内の液体を通して、前記基板の表面上の測定領域に光を照射し、
前記測定領域からの反射光のスペクトルを生成し、
前記スペクトルから前記基板の膜厚を決定することを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項５】
基板を研磨する研磨部と、
前記基板を洗浄し乾燥する洗浄部と、
前記基板の膜厚を測定する膜厚測定装置とを備え、
前記膜厚測定装置は、
基板を水平に支持する基板ステージと、
前記基板ステージ上の基板の表面全体にリンス水を供給するリンス水供給部と、
前記基板ステージ上の前記基板の表面上の測定領域に光を照射し、前記測定領域からの反射光のスペクトルを生成し、該スペクトルから前記基板の膜厚を決定する膜厚測定ヘッドと、
前記光の光路上に気体の噴流を形成し、該気体の噴流を前記測定領域に当てる気体噴射部とを備えたことを特徴とする研磨装置。
【請求項６】
基板を研磨する研磨部と、
前記基板を洗浄し乾燥する洗浄部と、
前記基板の膜厚を測定する膜厚測定装置とを備え、
前記膜厚測定装置は、
基板を水平に支持する基板ステージと、
前記基板ステージ上の基板の表面全体にリンス水を供給するリンス水供給部と、
前記基板の表面に接触または近接可能な開口部を有するノズルと、
前記ノズル内に液体を供給する液体供給ラインと、
前記ノズル内の液体を通して、前記基板ステージ上の前記基板の表面上の測定領域に光を照射し、前記測定領域からの反射光のスペクトルを生成し、該スペクトルから前記基板の膜厚を決定する膜厚測定ヘッドとを備えたことを特徴とする研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェハなどの基板の膜厚を測定する膜厚測定装置および膜厚測定方法、並びに膜厚測定装置を備えた研磨装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは、将来ますます微細化が進むと予想される。そのような微細構造を実現するために、ＣＭＰ装置に代表される研磨装置には、より精密なプロセスコントロールおよびより高度な研磨性能が求められている。具体的には、より正確な残膜コントロール（すなわち研磨終点検出精度）およびより改善された研磨結果（少ないディフェクトや平坦な被研磨面）が求められる。これに加え、より高い生産性（スループット）も要求される。
【０００３】
現在の研磨装置では、研磨精度を向上するために「リワーク」と呼ばれる再研磨が行われている。この再研磨は、研磨装置で研磨されたウェハを外部の膜厚測定装置に搬入し、研磨されたウェハの膜厚を膜厚測定装置で測定し、測定された膜厚と目標膜厚との差分をなくすために、再度ウェハを研磨する工程である。
【０００４】
従来のウェハの研磨方法の流れについて図１を参照して説明する。研磨装置は、一般に、研磨部と洗浄部とに区分けされている。ウェハは、まず、研磨部に搬送される。研磨部では、研磨テーブル上の研磨パッドに研磨液（スラリー）を供給しながら、ウェハと研磨パッドとを摺接させることによりウェハが研磨される（ステップ１）。研磨されたウェハは、次に洗浄部に搬送され、ここでウェハが洗浄され（ステップ２）、さらに、洗浄されたウェハが乾燥される（ステップ３）。
【０００５】
このようにして処理されたウェハは、次に、研磨装置の外部に設けられた膜厚測定装置に搬送され（ステップ４）、ここで、研磨されたウェハの膜厚が測定される（ステップ５）。ウェハの膜厚が所定の目標膜厚と比較され（ステップ６）、ウェハの膜厚が目標膜厚に達していない場合は、ウェハは、再度研磨装置に搬入され、再び研磨され、洗浄され、そして、乾燥される。しかしながら、このようなリワークと呼ばれる再研磨は正確な膜厚を実現するためには有効であるが、ウェハの最初の研磨から再研磨まである程度の時間がかかり、生産性（スループット）を低下させてしまう。
【０００６】
上述した研磨方法によれば、外部の膜厚測定装置での膜厚測定結果に基づいて、後続のウェハの研磨条件（研磨時間、研磨圧力など）を調整することが可能である。しかしながら、調整された研磨条件がウェハの研磨に適用されるまで既に数枚のウェハの研磨が終了しているため、それらウェハの研磨には調整された研磨条件が反映されない。調整された研磨条件を次のウェハの研磨に適用するためには、先のウェハの膜厚測定が終了し、研磨条件の調整が完了するまで、次のウェハの研磨を待たせる必要がある。しかしながら、このような操作は、生産性（スループット）を低下させてしまう。
【０００７】
上述した膜厚測定装置として、ウェハが濡れた状態でその膜厚を測定することができる、いわゆるウエット型膜厚測定装置が使用されることもある。このウエット型膜厚測定装置は、その膜厚測定ヘッドとウェハと間に純水を介在させた状態で、ウェハの膜厚を測定するように構成される。このタイプの膜厚測定装置を使用すれば、ウェハを研磨した直後にウエット状態のウェハの膜厚を測定することができる。
【０００８】
しかしながら、研磨液（スラリー）や研磨屑が、膜厚測定ヘッドとウェハとの間に存在する純水に混入し、純水の清浄度が低下する結果、膜厚測定の精度が低下することがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２０４４７２号公報
【特許文献２】特開２００６−３１３８８３号公報
【特許文献３】米国特許７１９５５３５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、膜厚の測定精度を向上させることができる膜厚測定装置および膜厚測定方法を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような膜厚測定装置を備えた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】
【００１１】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、基板を水平に支持する基板ステージと、前記基板ステージ上の基板の表面全体にリンス水を供給するリンス水供給部と、前記基板ステージ上の前記基板の表面上の測定領域に光を照射し、前記測定領域からの反射光のスペクトルを生成し、該スペクトルから前記基板の膜厚を決定する膜厚測定ヘッドと、前記光の光路上に気体の噴流を形成し、該気体の噴流を前記測定領域に当てる気体噴射部とを備えたことを特徴とする膜厚測定装置である。
【００１２】
本発明の他の態様は、基板を水平に支持する基板ステージと、前記基板ステージ上の基板の表面全体にリンス水を供給するリンス水供給部と、前記基板の表面に接触または近接可能な開口部を有するノズルと、前記ノズル内に液体を供給する液体供給ラインと、前記ノズル内の液体を通して、前記基板ステージ上の前記基板の表面上の測定領域に光を照射し、前記測定領域からの反射光のスペクトルを生成し、該スペクトルから前記基板の膜厚を決定する膜厚測定ヘッドとを備えたことを特徴とする膜厚測定装置である。
【００１３】
本発明の他の態様は、基板を水平に支持し、前記基板の表面全体にリンス水を供給し、前記基板の表面上の測定領域に光を照射しながら、光の光路上に気体の噴流を形成し、かつ該気体の噴流を前記測定領域に当て、前記測定領域からの反射光のスペクトルを生成し、前記スペクトルから前記基板の膜厚を決定することを特徴とする膜厚測定方法である。
【００１４】
本発明の他の態様は、基板を水平に支持し、前記基板の表面全体にリンス水を供給し、ノズルの開口部を前記基板の表面に接触または近接させ、前記ノズル内に液体を供給し、前記ノズル内の液体を通して、前記基板の表面上の測定領域に光を照射し、前記測定領域からの反射光のスペクトルを生成し、前記スペクトルから前記基板の膜厚を決定することを特徴とする膜厚測定方法である。
【００１５】
本発明の他の態様は、基板を研磨する研磨部と、前記基板を洗浄し乾燥する洗浄部と、上記膜厚測定装置とを備えたことを特徴とする研磨装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、基板の測定領域に供給される気体または純水などの流体は、この測定領域上に形成されたリンス水の膜を局所的に除去することができる。したがって、膜厚測定ヘッドは、リンス水の影響を受けることなく、正確な膜厚を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来のウェハの研磨方法を説明するフローチャートである。
【図２】研磨方法を示すフローチャートである。
【図３】図２に示す研磨方法を実行することができる研磨装置を示す図である。
【図４】第１研磨ユニットを模式的に示す斜視図である。
【図５】図４に示すトップリングを示す断面図である。
【図６】図６（ａ）および図６（ｂ）は、ウエット型膜厚測定装置を示す模式図である。
【図７】ウエット型膜厚測定装置の膜厚測定ヘッドの詳細を示す模式図である。
【図８】膜厚測定ヘッドに隣接して気体噴射部が設けられた例を示す図である。
【図９】ウエット型膜厚測定装置の他の実施形態を示す図である。
【図１０】図９に示す気体供給部の上面図である。
【図１１】複数の気体導入ラインをノズルに接続した構造を有する気体供給部を示す上面図である。
【図１２】ウエット型膜厚測定装置のさらに他の実施形態を示す図である。
【図１３】図１２に示すノズル、純水供給ライン、および純水排出ラインの上面図である。
【図１４】円筒状の仕切り壁によって、ノズルの内部空間が内側の導入空間と外側の排出空間とに仕切られた構造を示す図である。
【図１５】純水排出ラインおよび仕切り壁を省略した例を示す図である。
【図１６】ウェハの表面の周縁部に環状の堰を設けた例を示す断面図である。
【図１７】ウェハの表面の周縁部に環状の堰を設けた例を示す上面図である。
【図１８】堰およびシール部材の拡大図である。
【図１９】ウエット型膜厚測定装置のさらに他の実施形態を示す図である。
【図２０】ウェハの断面構造の一例を示す図である。
【図２１】図２１（ａ）および図２１（ｂ）は、図２０に示すウェハの研磨方法の一例を示す図である。
【図２２】図２１（ａ）および図２１（ｂ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。
【図２３】図２３（ａ）乃至図２３（ｄ）は、図２０に示すウェハの研磨方法の他の例を示す図である。
【図２４】図２３（ａ）乃至図２３（ｄ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。
【図２５】図２５（ａ）乃至図２５（ｄ）は、図２０に示すウェハの研磨方法のさらに他の例を示す図である。
【図２６】図２５（ａ）乃至図２５（ｄ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。
【図２７】タングステン膜、バリア膜、および絶縁膜からなる積層構造の断面図である。
【図２８】図２８（ａ）および図２８（ｂ）は、図２７に示すウェハの研磨方法の一例を示す図である。
【図２９】図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。
【図３０】層間絶縁膜（ＩＬＤ）が形成されたウェハの断面図である。
【図３１】図３１（ａ）および図３１（ｂ）は、図３０に示すウェハの研磨方法の一例を示す図である。
【図３２】図３１（ａ）および図３１（ｂ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。
【図３３】ＳＴＩ（シャロートレンチアイソレーション）プロセスを示すウェハの断面図である。
【図３４】図３４（ａ）および図３４（ｂ）は、図３３に示すウェハの研磨方法の一例を示す図である。
【図３５】図３４（ａ）および図３４（ｂ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。
【図３６】Ｈｉｇｈ−ｋメタルゲートを形成する過程においてＣＭＰが適用される積層構造が形成されたウェハの断面図である。
【図３７】図３７（ａ）乃至図３７（ｄ）は、図３６に示すウェハの研磨方法の一例を示す図である。
【図３８】図３７（ａ）乃至図３７（ｄ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。
【図３９】図３７（ａ）乃至図３７（ｄ）に示すウェハの別の研磨方法を説明するためのフローチャートである。
【図４０】渦電流式膜厚センサおよび光学式膜厚センサを備えた第１研磨ユニットを示す模式断面図である。
【図４１】光学式膜厚センサの原理を説明するための模式図である。
【図４２】ウェハと研磨テーブルとの位置関係を示す平面図である。
【図４３】動作制御部によって生成されたスペクトルを示す図である。
【図４４】動作制御部によって生成された現在のスペクトルと複数の基準スペクトルとの比較から現在の膜厚を決定するプロセスを説明する図である。
【図４５】膜厚差Δαに対応する２つのスペクトルを示す模式図である。
【図４６】渦電流式膜厚センサの原理を説明するための回路を示す図である。
【図４７】膜厚とともに変化するＸ，Ｙを、ＸＹ座標系上にプロットすることで描かれるグラフを示す図である。
【図４８】図４７のグラフ図形を反時計回りに９０度回転させ、さらに平行移動させたグラフを示す図である。
【図４９】コイルとウェハとの距離に従って変化するＸＹ座標の円弧軌跡を示す図である。
【図５０】研磨時間にしたがって変化する角度θを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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２は、研磨方法を示すフローチャートである。図２に示すように、研磨されたウェハを洗浄、乾燥する前に、ウエット状態のウェハの膜厚が測定される。測定された膜厚が所定の目標に達していない場合には、ウェハは研磨部に戻され、再研磨される。このように、ウェハが洗浄および乾燥される前に、そのウェハを再研磨することができるので、再研磨に要する時間を短縮できる。その結果、スループットを向上させることができる。さらには、膜厚の測定結果に基づいて調整された研磨条件（研磨時間、研磨圧力など）を次のウェハの研磨に適用することができる。したがって、スループットを向上させることができる。
【００１９】
図３は、上記研磨方法を実行することができる研磨装置を示す図である。図３に示すように、この研磨装置は、略矩形状のハウジング１を備えており、ハウジング１の内部は隔壁１ａ，１ｂによってロード／アンロード部２と研磨部３と洗浄部４とに区画されている。研磨装置は、ウェハ処理動作を制御する動作制御部５を有している。
【００２０】
ロード／アンロード部２は、多数のウェハ（基板）をストックするウェハカセットが載置されるフロントロード部２０を備えている。このロード／アンロード部２には、フロントロード部２０の並びに沿って走行機構２１が敷設されており、この走行機構２１上にウェハカセットの配列方向に沿って移動可能な２台の搬送ロボット（ローダー）２２が設置されている。搬送ロボット２２は走行機構２１上を移動することによってフロントロード部２０に搭載されたウェハカセットにアクセスできるようになっている。
【００２１】
研磨部３は、ウェハの研磨が行われる領域であり、第１研磨ユニット３Ａ、第２研磨ユニット３Ｂ、第３研磨ユニット３Ｃ、第４研磨ユニット３Ｄを備えている。図３に示すように、第１研磨ユニット３Ａは、研磨面を有する研磨パッド１０が取り付けられた第１研磨テーブル３０Ａと、ウェハを保持しかつウェハを研磨テーブル３０Ａ上の研磨パッド１０に押圧しながら研磨するための第１トップリング３１Ａと、研磨パッド１０に研磨液（例えばスラリ）やドレッシング液（例えば、純水）を供給するための第１研磨液供給機構３２Ａと、研磨パッド１０の研磨面のドレッシングを行うための第１ドレッサ３３Ａと、液体（例えば純水）と気体（例えば窒素ガス）の混合流体または液体（例えば純水）を霧状にして研磨面に噴射する第１アトマイザ３４Ａとを備えている。
【００２２】
同様に、第２研磨ユニット３Ｂは、研磨パッド１０が取り付けられた第２研磨テーブル３０Ｂと、第２トップリング３１Ｂと、第２研磨液供給機構３２Ｂと、第２ドレッサ３３Ｂと、第２アトマイザ３４Ｂとを備えており、第３研磨ユニット３Ｃは、研磨パッド１０が取り付けられた第３研磨テーブル３０Ｃと、第３トップリング３１Ｃと、第３研磨液供給機構３２Ｃと、第３ドレッサ３３Ｃと、第３アトマイザ３４Ｃとを備えており、第４研磨ユニット３Ｄは、研磨パッド１０が取り付けられた第４研磨テーブル３０Ｄと、第４トップリング３１Ｄと、第４研磨液供給機構３２Ｄと、第４ドレッサ３３Ｄと、第４アトマイザ３４Ｄとを備えている。
【００２３】
第１研磨ユニット３Ａ、第２研磨ユニット３Ｂ、第３研磨ユニット３Ｃ、および第４研磨ユニット３Ｄは、互いに同一の構成を有しているので、以下、第１研磨ユニット３１Ａについて図４を参照して説明する。図４は、第１研磨ユニットを模式的に示す斜視図である。なお、図４において、ドレッサ３３Ａおよびアトマイザ３４Ａは省略されている。
【００２４】
研磨テーブル３０Ａは、テーブル軸３０ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ１９に連結されており、このテーブルモータ１９により研磨テーブル３０Ａが矢印で示す方向に回転されるようになっている。この研磨テーブル３０Ａの上面には研磨パッド１０が貼付されており、研磨パッド１０の上面がウェハＷを研磨する研磨面１０ａを構成している。トップリング３１Ａはトップリングシャフト１６の下端に連結されている。トップリング３１Ａは、真空吸着によりその下面にウェハＷを保持できるように構成されている。トップリングシャフト１６は、図示しない上下動機構により上下動するようになっている。
【００２５】
研磨テーブル３０Ａの内部には、ウェハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号を取得する光学式膜厚センサ４０および渦電流式膜厚センサ６０が配置されている。これら膜厚センサ４０，６０は、記号Ａで示すように研磨テーブル３０Ａと一体に回転し、トップリング３１Ａに保持されたウェハＷの膜厚信号を取得する。光学式膜厚センサ４０および渦電流式膜厚センサ６０は図３に示す動作制御部５に接続されており、これら膜厚センサ４０，６０によって取得された膜厚信号は動作制御部５に送られるようになっている。動作制御部５は、膜厚を直接または間接に表す膜厚指標値を膜厚信号から生成する。
【００２６】
さらに、研磨テーブル３０Ａを回転させるテーブルモータ１９の入力電流（すなわち、トルク電流）を計測するトルク電流計測器７０が設けられている。トルク電流計測器７０によって計測されたトルク電流値は動作制御部５に送られ、ウェハＷの研磨中は動作制御部５によってトルク電流値が監視される。
【００２７】
ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。トップリング３１Ａおよび研磨テーブル３０Ａをそれぞれ矢印で示す方向に回転させ、研磨液供給機構３２Ａから研磨パッド１０上に研磨液（スラリー）を供給する。この状態で、下面にウェハＷを保持したトップリング３１Ａは、ウェハＷを研磨パッド１０の研磨面１０ａに押し付ける。ウェハＷの表面は、研磨液に含まれる砥粒の機械的作用と研磨液の化学的作用により研磨される。研磨終了後は、ドレッサ３３Ａによる研磨面１０ａのドレッシング（コンディショニング）が行われ、さらにアトマイザ３４Ａから高圧の流体が研磨面１０ａに供給されて、研磨面１０ａに残留する研磨屑や砥粒などが除去される。
【００２８】
トップリング３１Ａは、ウェハの複数の領域を独立して研磨パッドに押し付けることができるように構成されている。図５は、図４に示すトップリング３１Ａを示す断面図である。トップリング３１Ａは、トップリングシャフト１６に自由継手５６を介して連結されるトップリング本体５７と、トップリング本体５７の下部に配置されたリテーナリング５８とを備えている。
【００２９】
トップリング本体５７の下方には、ウェハＷに当接する柔軟なメンブレン６２と、メンブレン６２を保持するチャッキングプレート６３とが配置されている。メンブレン６２とチャッキングプレート６３との間には、４つの圧力室（エアバッグ）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が設けられている。圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４はメンブレン６２とチャッキングプレート６３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。
【００３０】
圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４にはそれぞれ流体路Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を介して圧力調整部６４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３１Ａの全体を昇降させることにより、リテーナリング５８を所定の押圧力で研磨パッド１０に押圧できるようになっている。
【００３１】
チャッキングプレート６３とトップリング本体５７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Ｆ５を介して上記圧力調整部６４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６３およびメンブレン６２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５８に囲まれており、研磨中にウェハＷがトップリング３１Ａから飛び出さないようになっている。圧力室Ｐ３を構成する、メンブレン６２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３１Ａ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３１Ａからリリースされるようになっている。
【００３２】
動作制御部５は、各圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に対応するウェハ表面の領域での膜厚指標値に基づいて、各圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力の目標値を決定する。動作制御部５は上記圧力調整部６４に指令信号を送り、圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力が上記目標値に一致するように圧力調整部６４を制御する。このように、複数の圧力室を持つトップリング３１Ａは、研磨の進捗に従ってウェハの表面上の各領域を独立に研磨パッド１０に押圧できるので、膜を均一に研磨することができる。
【００３３】
図３に戻り、第１研磨ユニット３Ａおよび第２研磨ユニット３Ｂに隣接して、第１リニアトランスポータ６が配置されている。この第１リニアトランスポータ６は、４つの搬送位置（第１搬送位置ＴＰ１、第２搬送位置ＴＰ２、第３搬送位置ＴＰ３、第４搬送位置ＴＰ４）の間でウェハを搬送する機構である。また、第３研磨ユニット３Ｃおよび第４研磨ユニット３Ｄに隣接して、第２リニアトランスポータ７が配置されている。この第２リニアトランスポータ７は、３つの搬送位置（第５搬送位置ＴＰ５、第６搬送位置ＴＰ６、第７搬送位置ＴＰ７）の間でウェハを搬送する機構である。
【００３４】
ウェハは、第１リニアトランスポータ６によって研磨ユニット３Ａ，３Ｂに搬送される。第１研磨ユニット３Ａのトップリング３１Ａは、そのスイング動作により研磨テーブル３０Ａの上方位置と第２搬送位置ＴＰ２との間を移動する。したがって、トップリング３１Ａへのウェハの受け渡しは第２搬送位置ＴＰ２で行われる。同様に、第２研磨ユニット３Ｂのトップリング３１Ｂは研磨テーブル３０Ｂの上方位置と第３搬送位置ＴＰ３との間を移動し、トップリング３１Ｂへのウェハの受け渡しは第３搬送位置ＴＰ３で行われる。第３研磨ユニット３Ｃのトップリング３１Ｃは研磨テーブル３０Ｃの上方位置と第６搬送位置ＴＰ６との間を移動し、トップリング３１Ｃへのウェハの受け渡しは第６搬送位置ＴＰ６で行われる。第４研磨ユニット３Ｄのトップリング３１Ｄは研磨テーブル３０Ｄの上方位置と第７搬送位置ＴＰ７との間を移動し、トップリング３１Ｄへのウェハの受け渡しは第７搬送位置ＴＰ７で行われる。
【００３５】
第１搬送位置ＴＰ１に隣接して、搬送ロボット２２からウェハを受け取るためのリフタ１１が配置されている。ウェハはこのリフタ１１を介して搬送ロボット２２から第１リニアトランスポータ６に渡される。リフタ１１と搬送ロボット２２との間に位置して、シャッタ（図示せず）が隔壁１ａに設けられており、ウェハの搬送時にはシャッタが開かれて搬送ロボット２２からリフタ１１にウェハが渡されるようになっている。
【００３６】
第１リニアトランスポータ６と、第２リニアトランスポータ７と、洗浄部４との間にはスイングトランスポータ１２が配置されている。第１リニアトランスポータ６から第２リニアトランスポータ７へのウェハの搬送は、スイングトランスポータ１２によって行われる。ウェハは、第２リニアトランスポータ７によって第３研磨ユニット３Ｃおよび／または第４研磨ユニット３Ｄに搬送される。
【００３７】
研磨部３と洗浄部４との間には、ウエット型膜厚測定装置８０が配置されている。より具体的には、ウエット型膜厚測定装置８０は、研磨部３の第４研磨ユニット３Ｄに隣接して配置されている。第２リニアトランスポータ７とウエット型膜厚測定装置８０との間には搬送ロボット７９が配置されている。研磨部３で研磨されたウェハは、搬送ロボット７９により第２リニアトランスポータ７からウエット型膜厚測定装置８０に搬送される。したがって、ウェハは、第２リニアトランスポータ７と搬送ロボット７９から構成される搬送機により研磨部３とウエット型膜厚測定装置８０との間を搬送される。搬送ロボット７９を省略して、第２リニアトランスポータ７がウェハをウエット型膜厚測定装置８０に直接搬送してもよい。この場合は、ウェハは、第２リニアトランスポータ７から構成される搬送機により研磨部３とウエット型膜厚測定装置８０との間を搬送される。
【００３８】
ウエット型膜厚測定装置８０は、乾燥処理前のウエット状態のウェハの膜厚を測定することができるウエット型光学膜厚測定器である。このウエット型膜厚測定装置８０は、測定対象となるウェハの研磨された面をウエット状態に維持しながら、ウェハの膜厚を測定するように構成されている。
【００３９】
以下、ウエット型膜厚測定装置８０について説明する。図６（ａ）は、ウエット型膜厚測定装置８０を示す模式図である。ウエット型膜厚測定装置８０は、ウェハＷを水平に支持する基板ステージ８７と、ウェハＷにリンス水（通常は純水）を供給してその表面の全体をリンス水で覆うリンス水供給部９０と、ウェハＷの膜厚を測定する膜厚測定ヘッド８４とを有している。リンス水で覆われるウェハＷの表面は、研磨部３で研磨された面であり、測定対象となる膜の露出面である。
【００４０】
ウェハＷは、上述した搬送ロボット７９により、膜が上を向いた状態で基板ステージ８７の上に置かれる。基板ステージ８７は、真空吸着によってウェハＷの下面を保持するように構成されている。膜厚測定中は、真空吸着力によりウェハＷの位置が固定される。図６（ｂ）は、基板ステージ８７の他の例を示す図である。図６（ｂ）に示すように、基板ステージ８７は、ウェハＷの周縁部を支えることができるように、ウェハＷの周縁部に沿った環状の部材、またはウェハＷの周縁部に沿って配列された複数の支持部材を備えていてもよい。
【００４１】
基板ステージ８７に支持されたウェハＷの上方には、ウェハＷの周方向の向きを検出するオリエンテーション検出器８５が設けられている。このオリエンテーション検出器８５は、ウェハＷの周縁部に形成されているノッチまたはオリエンテーションフラットと呼ばれる切り欠きを検出することによって、ウェハＷの向きを検出する。基板ステージ８７は、ウェハＷをその中心まわりに回転させる基板回転機構（図示せず）、およびＸＹ走査機構(図示せず)を有しており、オリエンテーション検出器８５により検出されたウェハＷの向き（周方向の位置）およびウェハＷの位置を自在に調整することができるようになっている。基板ステージ８７によりウェハＷを回転させながら、オリエンテーション検出器８５によりウェハＷの向きを検出し、ウェハＷが所定の方向を向くまで基板ステージ８７によりウェハＷを回転させる。
【００４２】
膜厚の測定中は、ウェハＷが所定の方向を向いた状態で、ウェハＷはこの基板ステージ８７の上で静止される。ウェハＷの周縁部が基板ステージ８７上に置かれると、ウェハＷは水平状態となる。膜厚測定ヘッド８４は、基板ステージ８７上のウェハＷの上方に配置されている。膜厚測定ヘッド８４は、ウェハＷの表面に垂直に光を当て、ウェハＷからの反射光を受光し、反射光のスペクトルを生成し、このスペクトルに基づいてウェハＷの膜厚を決定する。膜厚測定ヘッド８４の膜厚測定原理は、後述する光学式膜厚センサ４０と基本的に同じである。
【００４３】
膜厚測定ヘッド８４はヘッド移動機構９２に連結されており、膜厚測定ヘッド８４がウェハＷの表面と平行な水平面内で自在に移動できるようになっている。ヘッド移動機構９２は膜厚測定ヘッド８４を上下方向にも移動させることが可能に構成されている。ヘッド移動機構９２により、膜厚測定ヘッド８４は、ウェハＷの複数の測定点で膜厚を測定することができる。膜厚測定中は、ウェハＷは静止状態にあり、かつ水平に置かれているので、回転するウェハの膜厚を測定する光学式膜厚センサ４０よりも高い精度で膜厚を測定することができる。膜厚測定ヘッド８４とウェハＷの相対位置は、膜厚測定ヘッド８４および／または基板ステージ８７を移動させることにより調整することができる。このような構成により、膜厚測定ヘッド８４は、ウェハ表面上の所定の位置にある測定点の膜厚を測定することができる。
【００４４】
図７は、ウエット型膜厚測定装置８０の膜厚測定ヘッド８４の詳細を示す模式図である。図７に示すように、膜厚測定ヘッド８４は、多波長の光を発する光源１００と、光源１００からの光を集める集光レンズ１０１と、集光レンズ１０１を通過した光をウェハＷに向ける第１のビームスプリッター１０３と、第１のビームスプリッター１０３からの光をウェハＷ上に集中させる結像レンズ１０５と、ウェハＷからの反射光の強度を測定する分光光度計１１０と、ウェハＷの表面の画像を取得するデジタルカメラ１１２と、ウェハＷからの反射光を分光光度計１１０とデジタルカメラ１１２に向かう２つの光線に分ける第２のビームスプリッター１１５とを備えている。
【００４５】
デジタルカメラ１１２と第２のビームスプリッター１１５と間には第１のリレーレンズ１１６が配置され、分光光度計１１０と第２のビームスプリッター１１５と間には第２のリレーレンズ１１７が配置されている。分光光度計１１０は、反射光を波長に従って分解し、所定の波長範囲に亘って各波長での反射光の強度を測定するように構成される。膜厚測定ヘッド８４は、分光光度計１１０から得られた反射光の強度データ（膜厚信号）からスペクトルを生成し、スペクトルに基づいて膜厚を決定する処理部１２０をさらに備えている。スペクトルは、各波長での反射光の強度を表わしている。ウエット型膜厚測定装置８０によって得られた膜厚の測定値は、動作制御部５に送られる。
【００４６】
ウエット型膜厚測定装置８０は、膜厚測定ヘッド８４からの光が照射されるウェハ表面上の測定領域に気体の噴流を当てる気体噴射部（流体供給部）１３０をさらに有している。この気体噴射部１３０は図示しない気体供給源に接続されている。ウェハＷの表面に供給される気体としては、窒素ガスまたは空気が使用される。気体噴射部１３０の先端はウェハＷを向いており、気体の下降流をウェハＷ上に形成する。気体の下降流は、膜厚測定ヘッド８４から発せられた光の光路上を進行し、ウェハ表面の測定領域上に形成されているリンス水の膜を局所的に除去する。つまり、ウェハＷのほぼ全面はリンス水で覆われながらも、測定領域だけが局所的に気体の噴流によって乾燥される。
【００４７】
膜厚測定ヘッド８４は、ウェハＷに向かう光を通過させる光通過孔１２２をその下端に有している。気体噴射部１３０の先端は、この光通過孔１２２の内部に配置されている。したがって、気体は、光に重畳しながら、膜厚測定ヘッド８４の下端からウェハＷに向かう下降流を形成する。言い換えれば、膜厚測定ヘッド８４からの光は、気体の下降流を通過してウェハＷの表面上の測定領域に達し、ウェハＷの表面で反射し、そして気体の下降流を通過して膜厚測定ヘッド８４に戻る。
【００４８】
この気体の下降流は、リンス水の膜を局所的に除去し、ウェハＷの表面に当たって光路の外側に広がる。このような気体の下降流は、リンス水の膜厚測定ヘッド８４への跳ね返りを起こすことなく、ウェハＷの測定領域のみを局所的に乾燥させることができる。したがって、膜厚測定ヘッド８４は、研磨液（スラリー）などに起因するリンス水の濁りの影響を受けず、またリンス水の膜厚変化の影響を受けずに、正確な膜厚測定を行うことができる。図８に示すように、気体噴射部１３０は、膜厚測定ヘッド８４に隣接して、つまり膜厚測定ヘッド８４とは別に設けられてもよい。
【００４９】
図９は、ウエット型膜厚測定装置８０の他の実施形態を示す図である。特に説明しない構成は、図６（ａ）に示す実施形態と同じである。この実施形態では、ウエット型膜厚測定装置８０は、膜厚測定ヘッド８４からの光が照射されるウェハ表面上の測定領域に気体を供給する気体供給部（流体供給部）１３１を有している。図１０は、図９に示す気体供給部１３１の上面図である。気体供給部１３１は、膜厚測定ヘッド８４の下端に固定されたノズル１３３と、ノズル１３３に接続された気体導入ライン１３４とを備えている。気体導入ライン１３４は、図示しない気体供給源に接続されている。窒素ガス、空気などの気体は、気体導入ライン１３４からノズル１３３内に導入される。
【００５０】
ノズル１３３は、閉じられた周壁から構成されている。この実施形態では、ノズル１３３は円筒状を有しているが、閉じられた周壁を有するものであれば他の形状であってもよい。ノズル１３３は、光通過孔１２２に連結されている。より具体的には、光通過孔１２２は透明窓１２３で塞がれており、ノズル１３３は透明窓１２３の下に配置されている。この透明窓１２３は、光の通過を許容しつつ膜厚測定ヘッド８４内への液体の浸入を防いでいる。透明窓１２３を通過した光はノズル１３３内を通ってウェハＷの表面に到達する。
【００５１】
膜厚の測定中は、図９に示すように、ノズル１３３の開口部は、ウェハＷ上に形成されたリンス水の膜内に位置しており、かつウェハＷの表面からわずかに離間している。この状態で、気体は、気体導入ライン１３４からノズル１３３内に導入され、ノズル１３３内で下降流を形成する。気体の下降流は、光の光路上を進み、そして気体はノズル１３３とウェハＷの表面との間の隙間を通ってノズル１３３から排出される。
【００５２】
光は、ノズル１３３内に形成された気体の下降流の中を進行してウェハＷの表面に到達し、ウェハＷの表面で反射し、気体の下降流の中を通って膜厚測定ヘッド８４に戻る。膜厚測定ヘッド８４の下端からウェハＷの表面に向かって流れる気体は光に重畳し、リンス水を局所的に除去することで光の光路を確保する。このように、気体の下降流は、ウェハＷの表面上の測定領域のみを局所的に乾燥させることができる。透明窓１２３はノズル１３３内を満たす気体に接触しているので、ドライな状態に保たれる。また、気体の下降流によって、リンス水の透明窓１２３への跳ね返りを防止することができる。図１１に示すように、複数の気体導入ライン１３４をノズル１３３に接続してもよい。
【００５３】
図１２は、ウエット型膜厚測定装置８０のさらに他の実施形態を示す図である。特に説明しない構成は、図６（ａ）に示す実施形態と同じである。この実施形態では、ウェハＷの表面に供給される流体として液体が使用される。ウエット型膜厚測定装置８０は、膜厚測定ヘッド８４からの光が照射されるウェハ表面上の測定領域に液体を供給する液体供給部（流体供給部）１４０を有している。液体としては純水が好ましく使用される。
【００５４】
液体供給部１４０は、膜厚測定ヘッド８４の下端に固定されたノズル１４１と、ノズル１４１の内部空間に液体を供給する液体供給ライン１４２と、ノズル１４１の内部空間から液体を排出する液体排出ライン１４３とを備えている。液体排出ライン１４３は、液体を吸引するポンプに接続されていてもよい。ノズル１４１は、膜厚測定ヘッド８４の光通過孔１２２に連結されている。より具体的には、光通過孔１２２は透明窓１２３によって塞がれており、ノズル１４１はこの透明窓１２３の下に配置されている。
【００５５】
図１３は、図１２に示すノズル１４１、液体供給ライン１４２、および液体排出ライン１４３の上面図である。ノズル１４１は、閉じられた周壁から構成されている。この実施形態では、ノズル１４１は円筒状を有しているが、閉じられた周壁を有するものであれば他の形状であってもよい。図１２に示すように、膜厚の測定時にノズル１４１の開口部がウェハＷの表面に接触または近接することにより、ノズル１４１の内部空間が閉じられる。ノズル１４１の開口部をウェハＷの表面に接触させる場合は、ノズル１４１の開口部の先端に緩衝材を設けてもよい。緩衝材には、研磨パッドと同じ材料を使用してもよい。
【００５６】
ノズル１４１内には、その内部空間を、液体供給ライン１４２に接続された導入空間１４５と、液体排出ライン１４３に接続された排出空間１４６とに仕切る仕切り壁１４８が設けられている。液体は、液体供給ライン１４２を通じて導入空間１４５に流入し、導入空間１４５内の光の光路上に下降流を形成する。この下降流は、光に重畳しながら膜厚測定ヘッド８４の下端からウェハＷに向かって進行する。さらに、液体は、仕切り壁１４８の下端とウェハＷの表面との隙間を通って排出空間１４６に流入し、そして液体排出ライン１４３を通じて排出される。
【００５７】
膜厚測定ヘッド８４からの光は、ノズル１４１内の液体を通過してウェハＷの表面上の測定領域に達し、ウェハＷの表面で反射し、そしてノズル１４１内の液体を通過して膜厚測定ヘッド８４に戻る。膜厚の測定中は、ノズル１４１の開口部はウェハＷの表面によって閉じられるので、リンス水はノズル１４１の内部空間内に侵入しない。したがって、内部空間内に位置する光の光路は液体の流れによって確保され、正確な膜厚測定が実現される。
【００５８】
図１３に示す仕切り壁１４８は、ノズル１４１の内部空間を導入空間１４５と排出空間１４６とを概ね直線的に仕切っているが、図１４に示すように、円筒状の仕切り壁１４８によって、ノズル１４１の内部空間を内側の導入空間１４５と外側の排出空間１４６とに仕切ってもよい。
【００５９】
図１５に示すように、液体排出ライン１４３および仕切り壁１４８は省略してもよい。図１５に示す例は、ノズル１４１がリンス水の膜に接触している点で図１２に示す例と同じであるが、ノズル１４１の開口部はウェハＷの表面には接触せず、ウェハＷの表面からわずかに離間している。図１５に示す例では、液体は、ノズル１４１の内部空間を満たし、その後ノズル１４１の開口部とウェハＷの表面との隙間を通って排出される。
【００６０】
膜厚の測定中、ノズル１４１内の液体の液面レベルが一定であることが好ましい。膜厚の測定中、ノズル１４１の内部空間が液体で満たされてもよい。この場合は、膜厚測定ヘッド８４の下端に設けられた透明窓１２３からウェハＷの表面まで液体（好ましくは純水）が存在し、液体は透明窓１２３に接触する。液体の流れが膜厚測定に影響しないように、膜厚の測定中は、液体の流れ速度を遅くすることが好ましい。膜厚の測定中液体は常に流れ続けていなくてもよい。ウェハＷ上にリンス水の膜を形成した後に、ノズル１４１をウェハＷの表面に接触または近接させ、液体をノズル１４１内に供給してもよいし、あるいは、ノズル１４１をウェハＷの表面に接触または近接させ、液体をノズル１４１内に供給した後に、ウェハＷ上にリンス水の膜を形成してもよい。
【００６１】
上述した図６（ａ）乃至図１５に示す実施形態において、ウェハＷの表面（上面）に形成されるリンス水の膜の厚さを一定にするために、図１６および図１７に示すように、ウェハＷの表面の周縁部に環状の堰１５０を設けることが好ましい。堰１５０の材料は特に限定されない。リンス水の漏洩およびウェハＷの損傷防止のために、図１８に示すように、堰１５０とウェハＷとの間にシール部材１５１を設けることが好ましい。リンス水は、リンス水供給部９０からウェハＷ上に供給され、堰１５０をオーバーフローする。このような堰１５０を設けることにより、膜厚測定中に、ウェハＷの表面のウエット状態が確実に保たれ、かつリンス水の膜の厚さを一定に保つことができる。
【００６２】
図１９は、ウエット型膜厚測定装置８０のさらに他の実施形態を示す図である。特に説明しない構成は、図６（ａ）に示す実施形態と同じである。この実施形態では、ウェハＷは、その測定対象の膜が下向きの状態で、基板ステージ８７の下面に真空吸着によって保持される。リンス水供給部９０および膜厚測定ヘッド８４は、基板ステージ８７に保持されたウェハＷの下方に配置される。リンス水供給部９０は、ウェハＷの下面にリンス水（通常は純水）を供給してその下面の全体をリンス水で覆う。
【００６３】
膜厚測定ヘッド８４には、光が照射されるウェハＷの下面上の測定領域に液体の噴流を供給する液体噴射部（流体供給部）１５５が設けられている。液体の噴流は、光の光路上に形成される。ウェハＷの下面に形成されているリンス水の膜の一部は、液体噴射部１５５からの清浄な液体に置換される。ウェハ表面の異物は液体の噴流によって除去され、光路上が清浄に保たれる。したがって、正確な膜厚測定が実現される。液体としては純水が好ましく使用される。
【００６４】
図１９に示す実施形態と、図６（ａ）乃至図１５に示す実施形態を適宜組み合わせてもよい。例えば、ウェハＷの下面に形成されたリンス水の膜にノズル１４１を接触させた状態で、ノズル１４１内を液体で満たしながら膜厚測定を行なってもよい。この場合、スポイトのような液体供給具で、ノズル１４１内に液体を供給してもよい。
【００６５】
図３に戻り、スイングトランスポータ１２の側方には、図示しないフレームに設置されたウェハの仮置き台７２が配置されている。この仮置き台７２は、図３に示すように、第１リニアトランスポータ６に隣接して配置されており、第１リニアトランスポータ６と洗浄部４との間に位置している。スイングトランスポータ１２は、第４搬送位置ＴＰ４、第５搬送位置ＴＰ５、および仮置き台７２の間を移動する。上述した実施例では、各研磨ユニット３Ａ−３Ｄ間でウェハが授受される際には、ウェハはトップリングから離脱され、リニアトランスポータ６，７を介して他の研磨ユニットに搬送されるが、研磨ユニット間のウェハの受け渡し機構は上述の例に限定されることなく、例えばウェハを保持したままトップリングが直接他の研磨ユニットに移動することによりウェハを搬送してもよい。
【００６６】
仮置き台７２に載置されたウェハは、洗浄部４の第１の搬送ロボット７７によって洗浄部４に搬送される。図３に示すように、洗浄部４は、研磨されたウェハを洗浄液で洗浄する一次洗浄機７３および二次洗浄機７４と、洗浄されたウェハを乾燥する乾燥機７５とを備えている。第１の搬送ロボット７７は、ウェハを仮置き台７２から一次洗浄機７３に搬送し、さらに一次洗浄機７３から二次洗浄機７４に搬送するように動作する。二次洗浄機７４と乾燥機７５との間には、第２の搬送ロボット７８が配置されている。この第２の搬送ロボット７８は、ウェハを二次洗浄機７４から乾燥機７５に搬送するように動作する。
【００６７】
乾燥されたウェハは、搬送ロボット２２により乾燥機７５から取り出され、ウェハカセットに戻される。このようにして、研磨、膜厚測定、洗浄、および乾燥を含む一連の処理がウェハに対して行われる。
【００６８】
次に、上述の研磨装置を用いてウェハを研磨する方法について説明する。図２０は、研磨されるウェハの断面構造の一例を示す図である。このウェハでは、ＳｉＯ２やＬｏｗ−ｋ材からなる層間絶縁膜１０１の上に、ＳｉＯ２などの酸化膜からなる第１ハードマスク膜１０２が形成されている。さらに、第１ハードマスク膜１０２の上には、金属からなる第２ハードマスク膜１０４が形成されている。層間絶縁膜１０１に形成されたトレンチおよび第２ハードマスク膜１０４を覆うように金属からなるバリア膜１０５が形成される。層間絶縁膜１０１および第１ハードマスク膜１０２は絶縁膜１０３を構成し、第２ハードマスク膜１０４およびバリア膜１０５は導電膜１０６を構成する。図示しないが、多層構造の他の例として、第１ハードマスク膜１０２および第２ハードマスク膜１０４がないものもある。この場合、導電膜１０６はバリア膜１０５から構成され、絶縁膜１０３は層間絶縁膜１０１から構成される。
【００６９】
バリア膜１０５が形成された後、ウェハに銅めっきを施すことで、トレンチ内に銅を充填させるとともに、バリア膜１０５上に金属膜としての銅膜１０７を堆積させる。その後、研磨装置により不要な銅膜１０７、バリア膜１０５、第２ハードマスク膜１０４、および第１ハードマスク膜１０２が除去され、トレンチ内に銅が残る。このトレンチ内の銅は銅膜１０７の一部であり、これが半導体デバイスの配線１０８を構成する。図２０の点線で示すように、絶縁膜１０３が所定の厚さになった時点、すなわち配線１０８が所定の高さになった時点で研磨が終了される。
【００７０】
図２１（ａ）および図２１（ｂ）は、図２０に示すウェハの研磨方法の一例を示す図である。上記多層構造のウェハは、第１研磨ユニット３Ａおよび第２研磨ユニット３Ｂにて２段階で研磨され、同時に同じ構成の別のウェハが第３研磨ユニット３Ｃおよび第４研磨ユニット３Ｄにて２段階で研磨されている。２段研磨のうちの第１段目は、図２１（ａ）に示すように、バリア膜１０５が露出するまで不要な銅膜１０７を除去する工程であり、第２段目は、図２１（ｂ）に示すように、バリア膜１０５、第２ハードマスク膜１０４、および第１ハードマスク膜１０２を除去し、さらに絶縁膜１０３の厚さが所定の目標値に達するまで（すなわちトレンチ内の配線１０８が所定の目標高さになるまで）層間絶縁膜１０１を研磨する工程である。２段研磨の第１段目は第１研磨ユニット３Ａおよび第３研磨ユニット３Ｃにて行われ、第２段目は第２研磨ユニット３Ｂおよび第４研磨ユニット３Ｄにて行われる。このように、２枚のウェハが研磨ユニット３Ａ，３Ｂおよび研磨ユニット３Ｃ，３Ｄにて並行してそれぞれ研磨される。
【００７１】
絶縁膜１０３の研磨では、光学式膜厚センサ４０により絶縁膜１０３の膜厚信号が取得される。動作制御部５は、絶縁膜１０３の膜厚を直接または間接に表す膜厚指標値を膜厚信号から生成し、この膜厚指標値が所定のしきい値に達したとき（すなわち絶縁膜１０３の膜厚が所定の目標値に達したとき）に絶縁膜１０３の研磨を停止させる。動作制御部５は絶縁膜１０３の除去量から絶縁膜１０３の研磨終点を決定してもよい。すなわち、膜厚指標値に代えて、動作制御部５は、絶縁膜１０３の除去量を直接または間接に表す除去指標値を膜厚信号から生成し、この除去指標値が所定のしきい値に達したとき（すなわち絶縁膜１０３の除去量が所定の目標値に達したとき）に絶縁膜１０３の研磨を停止させるようにしてもよい。この場合でも、絶縁膜１０３をその厚さが所定の目標値に達するまで研磨することができる。
【００７２】
図２２は、図２１（ａ）および図２１（ｂ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。ステップ１では、第１研磨テーブル３０Ａまたは第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、導電膜１０６を構成するバリア膜１０５が露出するまで、銅膜（金属膜）１０７が研磨される。このステップ１は図２１（ａ）に示す第１研磨工程に対応する。ステップ２では、第２研磨テーブル３０Ｂまたは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、絶縁膜１０３が露出するまで導電膜１０６が研磨され、さらに絶縁膜１０３がその厚さが所定の目標値に達するまで研磨される。より具体的には、バリア膜１０５、第２ハードマスク膜１０４、および第１ハードマスク膜１０２が除去され、さらに層間絶縁膜１０１が研磨される。このステップ２は図２１（ｂ）に示す第２研磨工程に対応する。
【００７３】
ステップ３では、研磨液に代えて、純水を第２研磨テーブル３０Ｂまたは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に供給しながらウェハが水研磨される。この水研磨によりウェハから研磨液および研磨屑が除去される。ステップ４では、研磨されたウェハは、ウェハの表面が濡れた状態でウエット型膜厚測定装置８０に搬送される。
【００７４】
ステップ５では、研磨された絶縁膜１０３の厚さがウエット型膜厚測定装置８０により測定される。膜厚の測定結果は動作制御部５に送られ、ステップ６で、測定された現在の膜厚と膜厚の所定の目標値が動作制御部５により比較される。測定膜厚が目標値に達していない場合には、ステップ７として、測定膜厚と目標値との差から、目標値を達成するために必要な追加研磨時間を動作制御部５により算出する。追加研磨時間は、絶縁膜１０３の現在の膜厚と目標値との差分と、研磨レートとから算出することができる。そして、ウェハは、再度第２研磨テーブル３０Ｂまたは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０に移送され、研磨パッド１０上に研磨液が供給されながら、算出された追加研磨時間だけ再研磨される。測定膜厚が目標値に達している場合には、ウェハは洗浄部４に搬送され、ステップ８として、ウェハが洗浄され、さらに乾燥される。なお、再研磨の後のステップ４，５の膜厚測定およびステップ６の目標膜厚値との比較は省略することが出来る。
【００７５】
ウェハがウエット型膜厚測定装置８０にて測定されている間、および／または再研磨される間に、研磨ユニットなどにおいて後続のウェハに処理待ち時間が発生することがある。このような場合、ウェハ表面の乾燥や腐食などのディフェクトの増加を防止するために、ウェハ搬送経路、例えば第１リニアトランスポータ６、第２リニアトランスポータ７、スイングトランスポータ１２等に敷設されたスプレー（図示せず）により、純水や洗浄効果若しくは腐食防止効果等を有する薬液をトップリングに保持されたウェハ、あるいはリニアトランスポータの各搬送位置に停止したウェハに間欠的に吹き付けてもよい。また、再研磨の発生に起因する後続のウェハの研磨開始時間の遅れを動作制御部５で計算し、後続のウェハの研磨時間または研磨を開始するタイミングを調整してもよい。さらに、再研磨を許容するための後続ウェハの処理待ち時間を予め設定し、研磨装置へのウェハ投入タイミングを制御してもよい。このような再研磨を実施する際の後続ウェハに対する動作は、後に説明する実施例にも適用することが出来る。
【００７６】
ウエット型膜厚測定装置８０は、ウェハ上の所望の複数の測定点で膜厚を測定し、動作制御部５は膜厚測定値からウェハの研磨プロファイルを生成する。研磨プロファイルは膜の断面形状を表している。動作制御部５は、生成された研磨プロファイルに基づいてトップリング３１Ａの研磨圧力、すなわち図５に示す圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４内の圧力を調整するように構成されている。例えば、ウェハのエッジ部の膜厚が他の領域に比べて大きい場合には、エッジ部に対応する圧力室Ｐ４の圧力が高められる。
【００７７】
ウエット型膜厚測定装置８０によって取得される膜厚測定結果から、研磨時間、研磨圧力、研磨テーブルの回転速度などの研磨条件を調整することができる。例えば、各研磨工程の終点を研磨時間で管理する場合は、各研磨工程は、予め設定された研磨時間が経過した時点で終了される。この場合、膜厚測定結果に基づいて、設定研磨時間を、目標膜厚を達成するための最適な研磨時間に調整することができる。さらに、各圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４内の設定圧力（設定研磨圧力）を絶縁膜１０３の厚さが均一になるような最適な圧力に調整することができる。このようにして調整された研磨条件は、ウェハの再研磨に適用でき、また後続のウェハの研磨にも適用できる。したがって、後続のウェハは最適な研磨圧力および最適な研磨時間で研磨される。さらに、絶縁膜１０３を研磨するときの膜厚指標値または除去指標値のしきい値を調整することもできる。膜厚指標値または除去指標値がしきい値に達した後に、ウェハをさらに所定の時間だけ研磨（オーバーポリッシング）してもよい。この場合、オーバーポリッシングの上記所定の時間を膜厚測定結果に基づいて調整してもよい。
【００７８】
本発明によれば、膜厚測定および再研磨は、ウェハの洗浄および乾燥前に行われるため、再研磨を開始するまでに必要な時間を短くすることができる。したがって、スループットを向上させることができる。また、ウェハ研磨のすぐ後に膜厚測定が行われ、研磨条件が調整されるので、その調整された研磨条件を次のウェハの研磨に直ちに適用することができるので次のウェハの処理を待たせることがなくスループットを向上させることができると共に、後続のウェハに最適な研磨条件を適用することで研磨の精度を向上させることができる。
【００７９】
次に、本発明の研磨方法の他の例について説明する。この例では、４つの研磨テーブル３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄを用いて図２０に示すウェハが研磨される。具体的には、図２３（ａ）に示すように、第１研磨工程として、第１研磨ユニット３Ａにて銅膜１０７がその厚さが所定の目標値に達するまで研磨される。銅膜１０７の研磨では、渦電流式膜厚センサ６０により銅膜１０７の膜厚信号が取得される。動作制御部５は、銅膜１０７の膜厚を直接または間接に表す膜厚指標値を膜厚信号から生成し、この膜厚指標値に基づいて銅膜１０７の研磨を監視し、膜厚指標値が所定のしきい値に達したとき（すなわち銅膜１０７の厚さが所定の目標値に達したとき）に銅膜１０７の研磨を停止させる。
【００８０】
第１研磨ユニット３Ａで研磨されたウェハは第２研磨ユニット３Ｂに搬送され、ここで第２研磨工程が行われる。図２３（ｂ）に示すように、第２研磨工程では、銅膜１０７の下のバリア膜１０５が露出するまで残りの銅膜１０７が研磨される。銅膜１０７が除去されてバリア膜１０５が露出した時点は、膜厚指標値に基づいて動作制御部５によって検出される。例えば、銅膜１０７の除去点は、膜厚指標値が所定のしきい値に達した点から決定することができる。銅膜１０７の研磨レートが高く、バリア膜１０５の研磨レートが低くなる研磨液を使用している場合、銅膜１０７が除去されてバリア膜１０５が露出すると、研磨がそれ以上進行しなくなる。この場合は、膜厚指標値は変化しなくなる。したがって、膜厚指標値が変化しなくなった点を、銅膜１０７が除去された点に決定することもできる。
【００８１】
第２研磨ユニット３Ｂで研磨されたウェハは第３研磨ユニット３Ｃに搬送され、ここで第３研磨工程が行われる。図２３（ｃ）に示すように、第３研磨工程では、導電膜１０６を構成するバリア膜１０５および第２ハードマスク膜１０４が除去される。具体的には、導電膜１０６の下の絶縁膜１０３が露出するまで（第１ハードマスク膜１０２が露出するまで）、導電膜１０６が研磨される。導電膜１０６の研磨では、渦電流式膜厚センサ６０により導電膜１０６の膜厚信号が取得される。動作制御部５は、膜厚信号から導電膜１０６の膜厚指標値を生成し、この膜厚指標値に基づいて導電膜１０６の研磨を監視し、膜厚指標値が所定のしきい値に達したとき、または膜厚指標値が変化しなくなったとき（すなわち導電膜１０６の第２ハードマスク膜１０４が除去されて第１ハードマスク膜１０２が露出したとき）にウェハの研磨を停止させる。
【００８２】
研磨されたウェハは、第３研磨ユニット３Ｃから第４研磨ユニット３Ｄに搬送され、ここで第４研磨工程が行われる。図２３（ｄ）に示すように、第４研磨工程では、第１ハードマスク膜１０２および層間絶縁膜１０１からなる絶縁膜１０３が研磨される。絶縁膜１０３の研磨は、第１ハードマスク膜１０２の除去と、層間絶縁膜１０１の研磨とを含む。絶縁膜１０３は、その厚さが所定の目標値に達するまで研磨される。
【００８３】
絶縁膜１０３の研磨では、光学式膜厚センサ４０により絶縁膜１０３の膜厚信号が取得される。動作制御部５は、膜厚信号から絶縁膜１０３の膜厚指標値または除去指標値を生成し、この膜厚指標値または除去指標値が所定のしきい値に達したとき（すなわち絶縁膜１０３の膜厚または除去量が所定の目標値に達したとき）に絶縁膜１０３の研磨を停止させる。
【００８４】
図２４は、図２３（ａ）乃至図２３（ｄ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。ステップ１では、第１研磨テーブル３０Ａ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、銅膜（金属膜）１０７がその厚さが所定の目標値に達するまで研磨される。このステップ１は図２３（ａ）に示す第１研磨工程に対応する。ステップ２では、第２研磨テーブル３０Ｂ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、導電膜１０６を構成するバリア膜１０５が露出するまで、銅膜（金属膜）１０７が研磨される。このステップ２は図２３（ｂ）に示す第２研磨工程に対応する。
【００８５】
ステップ３では、第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、導電膜１０６を構成するバリア膜１０５および第２ハードマスク膜１０４が研磨される。この導電膜１０６の研磨は、絶縁膜１０３が露出するまで行われる。このステップ３は図２３（ｃ）に示す第３研磨工程に対応する。ステップ４では、第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、絶縁膜１０３がその厚さが所定の目標値に達するまで研磨される。このステップ４は図２３（ｄ）に示す第４研磨工程に対応する。
【００８６】
ステップ５では、研磨液に代えて、純水を第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に供給しながらウェハが水研磨される。この水研磨によりウェハから研磨液および研磨屑が除去される。ステップ６では、研磨されたウェハはウエット型膜厚測定装置８０に搬送される。
【００８７】
ステップ７では、研磨された絶縁膜１０３の厚さがウエット型膜厚測定装置８０により測定される。膜厚の測定結果は動作制御部５に送られ、ステップ８で、測定された現在の膜厚と膜厚の所定の目標値が動作制御部５により比較される。測定膜厚が目標値に達していない場合には、ステップ９として、測定膜厚と目標値との差から、目標値を達成するために必要な追加研磨時間を動作制御部５により算出する。そして、ウェハは、再度第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０に移送され、研磨パッド１０上に研磨液が供給されながら、算出された追加研磨時間だけ再研磨される。測定膜厚が目標値に達している場合には、ウェハは洗浄部４に搬送され、ステップ１０として、ウェハが洗浄され、さらに乾燥される。なお、再研磨の後のステップ６，７の膜厚測定およびステップ８の目標膜厚値との比較は省略することが出来る。
【００８８】
第３研磨工程では、導電膜１０６の研磨レートを高くしつつ、絶縁膜１０３の研磨レートを低くできる砥粒および／または化学成分を有する、いわゆる高選択比の研磨液を使用することが好ましい。このような研磨液を使用すると、絶縁膜１０３が露出した後はウェハの研磨が実質的に進行しない。したがって、動作制御部５は、導電膜１０６の研磨終点（絶縁膜１０３の露出点）をより正確に検出することができる。
【００８９】
第３研磨工程で高選択比の研磨液が使用される場合は、研磨テーブル３０Ｃを回転させるテーブルモータ１９（図４参照）のトルク電流に基づいて導電膜１０６の研磨終点（絶縁膜１０３の露出点）を検出することもできる。ウェハの研磨中は、ウェハの表面と研磨パッド１０の研磨面とが摺接するため、ウェハと研磨パッド１０との間には摩擦力が生じる。この摩擦力は、ウェハの露出面を形成する膜の種類、および研磨液の種類に依存して変化する。
【００９０】
テーブルモータ１９は、研磨テーブル３０Ｃを予め設定された一定の速度で回転させるように制御される。したがって、ウェハと研磨パッド１０との間に作用する摩擦力が変化すると、テーブルモータ１９に流れる電流値、すなわちトルク電流が変化する。より具体的には、摩擦力が大きくなると、研磨テーブル３０Ｃにより大きなトルクを与えるためにトルク電流が増え、摩擦力が小さくなると、研磨テーブル３０Ｃに与えるトルクを小さくするためにトルク電流が下がる。したがって、動作制御部５は、テーブルモータ１９のトルク電流の変化から導電膜１０６の研磨終点（絶縁膜１０３の露出点）を検出することができる。トルク電流は、図４に示すトルク電流計測器７０によって計測される。
【００９１】
次に、本発明の研磨方法のさらに他の例について説明する。この例でも、４つの研磨テーブル３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄを用いて図２０に示すウェハが研磨される。具体的には、図２５（ａ）および図２５（ｂ）に示す金属膜の第１研磨工程および第２研磨工程は、図２３（ａ）および図２３（ｂ）に示す第１研磨工程および第２研磨工程と同じであるので、その重複する説明を省略する。
【００９２】
第２研磨ユニット３Ｂで研磨されたウェハは第３研磨ユニット３Ｃに搬送され、ここで第３研磨工程が行われる。図２５（ｃ）に示すように、第３研磨工程では、絶縁膜１０３が露出するまで導電膜１０６が研磨され、さらに露出した絶縁膜１０３が研磨される。より具体的には、導電膜１０６を構成するバリア膜１０５および第２ハードマスク膜１０４が除去され、さらに導電膜１０６の下の絶縁膜１０３が研磨される。絶縁膜１０３は、その厚さが所定の第１の目標値に達するまで研磨される。絶縁膜１０３の厚さは、絶縁膜１０３の除去量から決定してもよい。第３研磨工程での絶縁膜１０３の研磨は、第１ハードマスク膜１０２の除去および層間絶縁膜１０１の研磨、または第１ハードマスク膜１０２の研磨のみを含む。図２５（ｃ）は、導電膜１０６が研磨された後、第１ハードマスク膜１０２が研磨され、層間絶縁膜１０１は研磨されない例を示している。
【００９３】
第３研磨工程での導電膜１０６の研磨では、渦電流式膜厚センサ６０により導電膜１０６の膜厚信号が取得される。動作制御部５は、膜厚信号から導電膜１０６の膜厚指標値を生成し、この膜厚指標値に基づいて導電膜１０６の研磨を監視し、膜厚指標値が所定のしきい値に達したとき、または膜厚指標値が変化しなくなった点（すなわち導電膜１０６が除去されて絶縁膜１０３が露出した点）を検出する。第３研磨工程では、導電膜１０６と絶縁膜１０３は連続して研磨される。絶縁膜１０３の研磨では、光学式膜厚センサ４０により絶縁膜１０３の膜厚信号が取得される。動作制御部５は、膜厚信号から絶縁膜１０３の膜厚指標値または除去指標値を生成し、この膜厚指標値または除去指標値が所定の第１のしきい値に達したとき（すなわち絶縁膜１０３の膜厚が所定の第１の目標値に達したとき）に絶縁膜１０３の研磨を停止させる。
【００９４】
第３研磨ユニット３Ｃで研磨されたウェハは、ウエット型膜厚測定装置８０に搬送され、ここでウェハの膜厚が測定される。膜厚測定後、ウェハは第４研磨ユニット３Ｄに搬送され、ここで第４研磨工程が行われる。図２５（ｄ）に示すように、第４研磨工程では、絶縁膜１０３が研磨される。絶縁膜１０３は、その厚さが所定の第２の目標値に達するまで研磨される。絶縁膜１０３の研磨は、第１ハードマスク膜１０２の除去および層間絶縁膜１０１の研磨、または層間絶縁膜１０１の研磨のみを含む。図２５（ｄ）は、第１ハードマスク膜１０２が除去され、続いて層間絶縁膜１０１が研磨された例を示している。
【００９５】
図２６は、図２５（ａ）乃至図２５（ｄ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。ステップ１では、第１研磨テーブル３０Ａ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、銅膜（金属膜）１０７がその厚さが所定の目標値に達するまで研磨される。このステップ１は図２５（ａ）に示す第１研磨工程に対応する。ステップ２では、第２研磨テーブル３０Ｂ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、導電膜１０６を構成するバリア膜１０５が露出するまで、銅膜（金属膜）１０７が研磨される。このステップ２は図２５（ｂ）に示す第２研磨工程に対応する。
【００９６】
ステップ３では、第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、導電膜１０６を構成するバリア膜１０５および第２ハードマスク膜１０４が研磨され、さらにその下の絶縁膜１０３がその厚さが所定の第１の目標値に達するまで研磨される。このステップ３は図２５（ｃ）に示す第３研磨工程に対応する。ステップ４では、研磨液に代えて、純水を第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０上に供給しながらウェハが水研磨される。この水研磨によりウェハから研磨液および研磨屑が除去される。ステップ５では、研磨されたウェハはウエット型膜厚測定装置８０に搬送される。
【００９７】
ステップ６では、研磨された絶縁膜１０３の厚さがウエット型膜厚測定装置８０により測定される。膜厚の測定結果は動作制御部５に送られ、ステップ７で、測定された現在の膜厚と膜厚の最終目標値である所定の第２の目標値が動作制御部５により比較される。測定膜厚が第２の目標値に達していない場合には、ステップ８として、測定膜厚と第２の目標値との差から、第２の目標値を達成するために必要な追加研磨時間を動作制御部５により算出する。追加研磨時間は、絶縁膜１０３の現在の膜厚と第２の目標値との差分と、研磨レートとから算出することができる。そして、ステップ９では、ウェハは、第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０に移送され、研磨パッド１０上に研磨液が供給されながら、算出された追加研磨時間だけウェハが再研磨される。このステップ９は図２５（ｄ）に示す第４研磨工程に対応する。なお、ウェハを第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０に搬送して、再研磨を第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０で行ってもよい。
【００９８】
ステップ１０では、研磨液に代えて、純水を第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に供給しながらウェハが水研磨される。その後、ウェハの処理フローは、ステップ５に戻る。測定膜厚が目標値に達している場合には、ウェハは洗浄部４に搬送され、ステップ１１として、ウェハが洗浄され、さらに乾燥される。
【００９９】
ステップ８で算出される追加研磨時間だけウェハを研磨することにより、ウェハの膜厚は目標値に達することが期待される。したがって、ステップ９およびステップ１０の後、ステップ５に戻って再度膜厚を測定することなく直接ステップ１１としてウェハを洗浄さらに乾燥してウェハ処理を終了させてもよい。このような再研磨後の膜厚測定の省略は、先に説明した実施例および後に説明する実施例にも適用することができる。
【０１００】
図２５（ａ）乃至図２５（ｃ），および図２６を参照して説明した本実施例は、膜厚がその最終目標値である第２の目標値の手前の第１の目標値に達するまで膜を研磨し、研磨されたウェハの膜厚をウエット型膜厚測定装置８０により測定し、測定された現在の膜厚と第２の目標値との差をなくすために必要な追加研磨時間を算出し、そして、ウェハを追加研磨時間だけ再研磨するというものである。このように意図的に最終目標値の手前で研磨を止めて膜厚を測定し、その後再研磨するという本実施例は、先に説明した実施例および後に説明する実施例にも適用することができる。
【０１０１】
本発明に係る研磨方法は、他の積層構造を有するウェハにも適用することができる。図２７は、タングステン膜、バリア膜、および絶縁膜からなる積層構造の断面図である。このウェハでは、絶縁膜１１０および該絶縁膜１１０に形成されたトレンチを覆うように導電膜としてのバリア膜１１１が形成されている。絶縁膜１１０はＳｉＯ２やＬｏｗ−ｋ材などから形成され、バリア膜１１１はＴｉあるいはＴｉＮなどの金属から形成されている。さらに、バリア膜１１１を覆うように金属膜としてのタングステン膜１１２が形成され、トレンチはタングステン膜１１２で充填されている。図２７の点線で示すように、不要なタングステン膜１１２およびバリア膜１１１が除去され、絶縁膜１１０が所定の厚さに達するまで研磨される。トレンチ内のタングステンはタングステン膜１１２の一部であり、これが半導体デバイスの配線１１３を構成する。
【０１０２】
図２８（ａ）および図２８（ｂ）は、図２７に示すウェハの研磨方法の一例を示す図である。上記多層構造のウェハは、第１研磨ユニット３Ａおよび第２研磨ユニット３Ｂにて２段階で研磨され、同時に同じ構成の別のウェハが第３研磨ユニット３Ｃおよび第４研磨ユニット３Ｄにて２段階で研磨されている。２段研磨のうちの第１段目は、図２８（ａ）に示すように、絶縁膜１１０が露出するまでタングステン膜１１２およびバリア膜１１１を除去する工程であり、第２段目は、図２８（ｂ）に示すように、絶縁膜１１０の厚さが所定の目標値に達するまで（すなわちトレンチ内の配線１１３が所定の目標高さになるまで）絶縁膜１１０を研磨する工程である。２段研磨の第１段目は第１研磨ユニット３Ａおよび第３研磨ユニット３Ｃにて行われ、第２段目は第２研磨ユニット３Ｂおよび第４研磨ユニット３Ｄにて行われる。
【０１０３】
図２９は、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。ステップ１では、第１研磨テーブル３０Ａまたは第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、絶縁膜１１０が露出するまで、タングステン膜（金属膜）１１２およびバリア膜１１１が研磨される。このステップ１は図２８（ａ）に示す第１研磨工程に対応する。ステップ２では、第２研磨テーブル３０Ｂまたは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、絶縁膜１１０がその厚さが所定の目標値に達するまで研磨される。このステップ２は図２８（ｂ）に示す第２研磨工程に対応する。
【０１０４】
絶縁膜１１０の研磨では、光学式膜厚センサ４０により絶縁膜１１０の膜厚信号が取得される。動作制御部５は、膜厚信号から絶縁膜１１０の膜厚指標値または除去指標値を生成し、この膜厚指標値または除去指標値が所定のしきい値に達したとき（すなわち絶縁膜１１０の膜厚または除去量が所定の目標値に達したとき）に絶縁膜１１０の研磨を停止させる。
【０１０５】
ステップ３では、研磨液に代えて、純水を第２研磨テーブル３０Ｂまたは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に供給しながらウェハが水研磨される。この水研磨によりウェハから研磨液および研磨屑が除去される。ステップ４では、研磨されたウェハはウエット型膜厚測定装置８０に搬送される。
【０１０６】
ステップ５では、研磨された絶縁膜１１０の厚さがウエット型膜厚測定装置８０により測定される。膜厚の測定結果は動作制御部５に送られ、ステップ６で、測定された現在の膜厚と膜厚の所定の目標値とが動作制御部５により比較される。測定膜厚が目標値に達していない場合には、ステップ７として、測定膜厚と目標値との差から、目標値を達成するために必要な追加研磨時間を動作制御部５により算出する。そして、ウェハは、再度第２研磨テーブル３０Ｂまたは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０に移送され、研磨パッド１０上に研磨液が供給されながら、算出された追加研磨時間だけ再研磨される。測定膜厚が目標値に達している場合には、ウェハは洗浄部４に搬送され、ステップ８として、ウェハが洗浄され、さらに乾燥される。なお、再研磨の後のステップ４，５の膜厚測定およびステップ６の目標膜厚値との比較は省略することが出来る。
【０１０７】
次に、さらに他の積層構造を有するウェハを研磨する例について説明する。図３０は、層間絶縁膜（ＩＬＤ）が形成されたウェハの断面図である。このウェハでは、下地層１２０の上に金属配線１２１が形成され、さらに金属配線１２１を覆うように層間絶縁膜１２２がＣＶＤにより形成されている。
【０１０８】
図３１（ａ）および図３１（ｂ）は、図３０に示すウェハの研磨方法の一例を示す図である。上記多層構造のウェハは、第１研磨ユニット３Ａおよび第２研磨ユニット３Ｂにて２段階で研磨され、同時に同じ構成の別のウェハが第３研磨ユニット３Ｃおよび第４研磨ユニット３Ｄにて２段階で研磨されている。２段研磨のうちの第１段目は、図３１（ａ）に示すように、層間絶縁膜１２２の表面に形成された段部（または凸部）を除去してその表面を平坦にする工程であり、第２段目は、図３１（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１２２を僅かに研磨してその表面に形成された傷を除去する工程である。２段研磨の第１段目は第１研磨ユニット３Ａおよび第３研磨ユニット３Ｃにて行われ、第２段目は第２研磨ユニット３Ｂおよび第４研磨ユニット３Ｄにて行われる。
【０１０９】
図３２は、図３１（ａ）および図３１（ｂ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。ステップ１では、第１研磨テーブル３０Ａまたは第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、層間絶縁膜１２２の表面に形成された段部（または凸部）が除去されるまで、層間絶縁膜１２２が研磨される。このステップ１は図３１（ａ）に示す第１研磨工程に対応する。ステップ２では、第２研磨テーブル３０Ｂまたは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、層間絶縁膜１２２の厚さが所定の目標値に達するまで層間絶縁膜１２２が研磨される。このステップ２は図３１（ｂ）に示す第２研磨工程に対応する。
【０１１０】
層間絶縁膜１２２の研磨では、光学式膜厚センサ４０により層間絶縁膜１２２の膜厚信号が取得される。動作制御部５は、膜厚信号から層間絶縁膜１２２の膜厚指標値または除去指標値を生成し、この膜厚指標値または除去指標値が所定のしきい値に達したとき（すなわち層間絶縁膜１２２の膜厚または除去量が所定の目標値に達したとき）に層間絶縁膜１２２の研磨を停止させる。
【０１１１】
ステップ３では、研磨液に代えて、純水を第２研磨テーブル３０Ｂまたは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に供給しながらウェハが水研磨される。この水研磨によりウェハから研磨液および研磨屑が除去される。ステップ４では、研磨されたウェハはウエット型膜厚測定装置８０に搬送される。
【０１１２】
ステップ５では、研磨された層間絶縁膜１２２の厚さがウエット型膜厚測定装置８０により測定される。膜厚の測定結果は動作制御部５に送られ、ステップ６で、測定された現在の膜厚と膜厚の所定の目標値とが動作制御部５により比較される。測定膜厚が目標値に達していない場合には、ステップ７として、測定膜厚と目標値との差から、目標値を達成するために必要な追加研磨時間を動作制御部５により算出する。そして、ウェハは、再度第２研磨テーブル３０Ｂまたは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０に移送され、研磨パッド１０上に研磨液が供給されながら、算出された追加研磨時間だけ再研磨される。測定膜厚が目標値に達している場合には、ウェハは洗浄部４に搬送され、ステップ８として、ウェハが洗浄され、さらに乾燥される。なお、再研磨の後のステップ４，５の膜厚測定およびステップ６の目標膜厚値との比較は省略することが出来る。
【０１１３】
図３３は、ＳＴＩ（シャロートレンチアイソレーション）プロセスを示すウェハの断面図である。図３３に示すウェハでは、シリコン層１３０の上にＳｉＯ２膜１３１が形成され、その上にＳｉ３Ｎ４からなるシリコン窒化膜１３２が形成され、さらにその上にＳｉＯ２からなる素子分離絶縁膜１３３（以下、単に絶縁膜１３３という）が高密度プラズマＣＶＤなどにより形成されている。シリコン層１３０、ＳｉＯ２膜１３１、およびシリコン窒化膜１３２にはＳＴＩ溝が形成されており、絶縁膜１３３の一部はＳＴＩ溝に埋め込まれている。
【０１１４】
図３４（ａ）および図３４（ｂ）は、図３３に示すウェハの研磨方法の一例を示す図である。上記多層構造のウェハは、第１研磨ユニット３Ａおよび第２研磨ユニット３Ｂにて２段階で研磨され、同時に同じ構成の別のウェハが第３研磨ユニット３Ｃおよび第４研磨ユニット３Ｄにて２段階で研磨されている。２段研磨のうちの第１段目は、図３４（ａ）に示すように、不要な絶縁膜１３３を除去してシリコン窒化膜１３２を露出させる工程であり、第２段目は、図３４（ｂ）に示すように、絶縁膜１３３およびシリコン窒化膜１３２を研磨してその表面に形成された傷を除去するとともに絶縁膜１３３の膜厚を最終的に調整する工程である。２段研磨の第１段目は第１研磨ユニット３Ａおよび第３研磨ユニット３Ｃにて行われ、第２段目は第２研磨ユニット３Ｂおよび第４研磨ユニット３Ｄにて行われる。
【０１１５】
図３５は、図３４（ａ）および図３４（ｂ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。ステップ１では、第１研磨テーブル３０Ａまたは第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、シリコン窒化膜１３２が露出するまで、絶縁膜１３３が研磨される。このステップ１は図３４（ａ）に示す第１研磨工程に対応する。ステップ２では、第２研磨テーブル３０Ｂまたは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、絶縁膜１３３の厚さが所定の目標値に達するまで絶縁膜１３３およびシリコン窒化膜１３２が研磨される。このステップ２は図３４（ｂ）に示す第２研磨工程に対応する。
【０１１６】
ステップ３では、研磨液に代えて、純水を第２研磨テーブル３０Ｂまたは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に供給しながらウェハが水研磨される。この水研磨によりウェハから研磨液および研磨屑が除去される。ステップ４では、研磨されたウェハはウエット型膜厚測定装置８０に搬送される。
【０１１７】
ステップ５では、研磨された絶縁膜１３３の厚さがウエット型膜厚測定装置８０により測定される。膜厚の測定結果は動作制御部５に送られ、ステップ６で、測定された現在の膜厚と膜厚の所定の目標値とが動作制御部５により比較される。測定膜厚が目標値に達していない場合には、ステップ７として、測定膜厚と目標値との差から、目標値を達成するために必要な追加研磨時間を動作制御部５により算出する。そして、ウェハは、再度第２研磨テーブル３０Ｂまたは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０に移送され、研磨パッド１０上に研磨液が供給されながら、算出された追加研磨時間だけ再研磨される。測定膜厚が目標値に達している場合には、ウェハは洗浄部４に搬送され、ステップ８として、ウェハが洗浄され、さらに乾燥される。なお、再研磨の後のステップ４，５の膜厚測定およびステップ６の目標膜厚値との比較は省略することが出来る。
【０１１８】
次に、さらに他の積層構造を有するウェハを研磨する例について説明する。図３６はＨｉｇｈ−ｋメタルゲートを形成する過程においてＣＭＰが適用される積層構造が形成されたウェハの断面図である。図３６に示すように、シリコン層１４０の上にポリシリコン１４１が形成され、ポリシリコン１４１を覆うようにシリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）からなるサイドウォール１４２が形成されている。さらに、サイドウォール１４２の上には絶縁膜１４４が形成されている。
【０１１９】
このウェハは、図３７（ａ）乃至図３７（ｄ）に示すように、４段階で研磨される。すなわち、第１研磨工程は、図３７（ａ）に示すように、絶縁膜１４４をその厚さが所定の第１の目標値に達するまで研磨する工程であり、第２研磨工程は、図３７（ｂ）に示すように、サイドウォール１４２が露出し、かつ絶縁膜１４４の厚さが所定の第２の目標値に達するまで絶縁膜１４４を研磨する工程であり、第３研磨工程は、図３７（ｃ）に示すように、ポリシリコン１４１が露出し、かつ絶縁膜１４４の厚さが所定の第３の目標値に達するまで絶縁膜１４４およびサイドウォール１４２を研磨する工程であり、第４研磨工程は、図３７（ｄ）に示すように、絶縁膜１４４が所定の第４の目標値に達するまで絶縁膜１４４、ポリシリコン１４１、およびサイドウォール１４２を研磨する工程である。
【０１２０】
第１研磨工程は第１研磨ユニット３Ａで行われ、第２研磨工程は第２研磨ユニット３Ｂで行われ、第３研磨工程は第３研磨ユニット３Ｃで行われ、第４研磨工程は第４研磨ユニット３Ｄで行われる。各研磨工程中、光学式膜厚センサ４０により絶縁膜１４４の膜厚信号が取得される。光学式膜厚センサ４０に代えて、設定時間またはトルク電流計測器７０を使用して研磨終点を決定してもよい。動作制御部５は、膜厚信号から絶縁膜１４４の膜厚指標値または除去指標値を生成し、この膜厚指標値または除去指標値が所定のしきい値に達したとき（すなわち絶縁膜１４４の膜厚または除去量が所定の目標値に達したとき）に絶縁膜１４４の研磨を停止させる。
【０１２１】
図３８は、図３７（ａ）乃至図３７（ｄ）に示すウェハの研磨方法を説明するためのフローチャートである。ステップ１では、第１研磨テーブル３０Ａ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、絶縁膜１４４の厚さが所定の第１の目標値に達するまで絶縁膜１４４が研磨される。このステップ１は図３７（ａ）に示す第１研磨工程に対応する。ステップ２では、第２研磨テーブル３０Ｂ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、サイドウォール１４２が露出し、かつ絶縁膜１４４の厚さが所定の第２の目標値に達するまで絶縁膜１４４が研磨される。このステップ２は図３７（ｂ）に示す第２研磨工程に対応する。
【０１２２】
ステップ３では、研磨液に代えて、純水を第２研磨テーブル３０Ｂ上の研磨パッド１０上に供給しながらウェハが水研磨される。この水研磨によりウェハから研磨液および研磨屑が除去される。ステップ４では、研磨されたウェハはウエット型膜厚測定装置８０に搬送される。
【０１２３】
ステップ５では、研磨された絶縁膜１４４の厚さがウエット型膜厚測定装置８０により測定される。膜厚の測定結果は動作制御部５に送られ、ステップ６で、測定された現在の膜厚と膜厚の所定の第２の目標値とが動作制御部５により比較される。測定膜厚が第２の目標値に達していない場合には、ステップ７として、測定膜厚と第２の目標値との差から、第２の目標値を達成するために必要な追加研磨時間を動作制御部５により算出する。そして、ウェハは、再度第１研磨テーブル３０Ａまたは第２研磨テーブル３０Ｂ上の研磨パッド１０に移送され、研磨パッド１０上に研磨液が供給されながら、算出された追加研磨時間だけ再研磨される。なお、再研磨の後のステップ４，５の膜厚測定およびステップ６の目標膜厚値との比較は省略することが出来る。再研磨のために第１研磨テーブル３０Ａまたは第２研磨テーブル３０Ｂのどちらにウェハを搬送するかの判断基準は、サイドウォール１４２が露出しているか否か、あるいは絶縁膜１４４の現在の膜厚と膜厚の所定の第２の目標値との差が予め定めたレンジ内にあるか否かとすることができる。測定膜厚が目標値に達している場合には、ウェハは第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０上に搬送される。
【０１２４】
ステップ８では、第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、絶縁膜１４４の厚さが所定の第３の目標値に達するまで絶縁膜１４４およびサイドウォール１４２が研磨される。このステップ８は図３７（ｃ）に示す第３研磨工程に対応する。ステップ９では、第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、絶縁膜１４４の厚さが所定の第４の目標値に達するまで絶縁膜１４４、ポリシリコン１４１、およびサイドウォール１４２が研磨される。このステップ９は図３７（ｄ）に示す第４研磨工程に対応する。
【０１２５】
ステップ１０では、研磨液に代えて、純水を第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に供給しながらウェハが水研磨される。この水研磨によりウェハから研磨液および研磨屑が除去される。ステップ１１では、研磨されたウェハはウエット型膜厚測定装置８０に搬送される。
【０１２６】
ステップ１２では、研磨された絶縁膜１４４の厚さがウエット型膜厚測定装置８０により測定される。膜厚の測定結果は動作制御部５に送られ、ステップ１３で、測定された現在の膜厚と膜厚の所定の第４の目標値とが動作制御部５により比較される。測定膜厚が第４の目標値に達していない場合には、ステップ１４として、測定膜厚と第４の目標値との差から、第４の目標値を達成するために必要な追加研磨時間を動作制御部５により算出する。そして、ウェハは、再度第３研磨テーブル３０Ｃまたは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０に移送され、研磨パッド１０上に研磨液が供給されながら、算出された追加研磨時間だけ再研磨される。なお、再研磨の後のステップ１１，１２の膜厚測定およびステップ１３の目標膜厚値との比較は省略することが出来る。再研磨のために第３研磨テーブル３０Ｃまたは第４研磨テーブル３０Ｄのどちらにウェハを搬送するかの判断基準は、ポリシリコン１４１が露出しているか否か、あるいは絶縁膜１４４の現在の膜厚と膜厚の所定の第４の目標値との差が予め定めたレンジ内にあるか否かとすることができる。測定膜厚が第４の目標値に達している場合には、ウェハは洗浄部４に搬送され、ステップ１５として、ウェハが洗浄され、乾燥される。
【０１２７】
図３９は、図３７（ａ）乃至図３７（ｄ）に示すウェハの別の研磨方法を説明するためのフローチャートである。ステップ１では、第１研磨テーブル３０Ａ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、絶縁膜１４４の厚さが所定の第１の目標値に達するまで絶縁膜１４４が研磨される。このステップ１は図３７（ａ）に示す第１研磨工程に対応する。ステップ２では、研磨液に代えて、純水を第１研磨テーブル３０Ａ上の研磨パッド１０上に供給しながらウェハが水研磨される。ステップ３では、ウェハはウエット型膜厚測定装置８０に搬送され、ここで絶縁膜１４４の厚さが測定される。さらに、ステップ４では、測定された現在の膜厚が所定の第２の目標値に達するために必要な追加研磨時間が動作制御部５により算出される。
【０１２８】
ステップ５では、ウェハは第２研磨テーブル３０Ｂ上の研磨パッド１０上に搬送され、研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、ステップ３で算出された追加研磨時間だけ絶縁膜１４４が研磨される。このステップ５は図３７（ｂ）に示す第２研磨工程に対応する。ステップ６では、研磨液に代えて、純水を第２研磨テーブル３０Ｂ上の研磨パッド１０上に供給しながらウェハが水研磨される。
【０１２９】
ステップ７では、ウェハはウエット型膜厚測定装置８０に再び搬送され、ここで絶縁膜１４４の厚さがウエット型膜厚測定装置８０により測定される。膜厚の測定結果は動作制御部５に送られ、ステップ８で、測定された現在の膜厚と膜厚の所定の第２の目標値とが動作制御部５により比較される。測定膜厚が第２の目標値に達していない場合には、ステップ９として、測定膜厚と第２の目標値との差から、第２の目標値を達成するために必要な追加研磨時間を動作制御部５により算出する。そして、ウェハは、再度第２研磨テーブル３０Ｂ上の研磨パッド１０に移送され、研磨パッド１０上に研磨液が供給されながら、算出された追加研磨時間だけ再研磨される。測定膜厚が目標値に達している場合には、ウェハは第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０上に搬送される。なお、上述のステップ５では、ステップ４で算出される追加研磨時間だけウェハを研磨することにより、ウェハの膜厚は所定の第２の目標値に達することが期待される。したがって、ステップ７の膜厚測定およびステップ８の目標膜厚値との比較は省略することが出来る。
【０１３０】
ステップ１０では、第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、絶縁膜１４４の厚さが所定の第３の目標値に達するまで絶縁膜１４４およびサイドウォール１４２が研磨される。このステップ１０は図３７（ｃ）に示す第３研磨工程に対応する。ステップ１１では、研磨液に代えて、純水を第３研磨テーブル３０Ｃ上の研磨パッド１０上に供給しながらウェハが水研磨される。ステップ１２では、ウェハはウエット型膜厚測定装置８０に搬送され、ここで絶縁膜１４４の厚さが測定される。さらに、ステップ１３では、測定された現在の膜厚が所定の第４の目標値に達するために必要な追加研磨時間が動作制御部５により算出される。
【０１３１】
ステップ１４では、ウェハは第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に搬送され、研磨パッド１０上に研磨液を供給しながら、ステップ１３で算出された追加研磨時間だけ絶縁膜１４４，サイドウォール１４２，およびポリシリコン１４１が研磨される。このステップ１４は図３７（ｄ）に示す第４研磨工程に対応する。ステップ１５では、研磨液に代えて、純水を第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０上に供給しながらウェハが水研磨される。
【０１３２】
ステップ１６では、ウェハはウエット型膜厚測定装置８０に搬送され、ここで絶縁膜１４４の厚さが測定される。膜厚の測定結果は動作制御部５に送られ、ステップ１７で、測定された現在の膜厚と膜厚の所定の第４の目標値とが動作制御部５により比較される。測定膜厚が第４の目標値に達していない場合には、ステップ１８として、測定膜厚と第４の目標値との差から、第４の目標値を達成するために必要な追加研磨時間を動作制御部５により算出する。そして、ウェハは、再度第４研磨テーブル３０Ｄ上の研磨パッド１０に移送され、研磨パッド１０上に研磨液が供給されながら、算出された追加研磨時間だけ再研磨される。測定膜厚が目標値に達している場合には、ウェハは洗浄部４に搬送され、ステップ１９として、ウェハが洗浄され、乾燥される。なお、上述のステップ１４では、ステップ１３で算出される追加研磨時間だけウェハを研磨することにより、ウェハの膜厚は所定の第４の目標値に達することが期待される。したがって、ステップ１６の膜厚測定およびステップ１７の目標膜厚値との比較は省略することが出来る。
【０１３３】
上述した各実施形態では、膜厚測定および再研磨は、ウェハの洗浄および乾燥前に行われる。したがって、再研磨に必要な時間を短くすることができ、スループットを向上させることができる。また、ウェハ研磨のすぐ後に膜厚測定が行われるので、膜厚測定の結果調整された研磨条件を次のウェハの研磨に直ちに適用することができるので、次のウェハの処理を待たせることがなくスループットを向上させることができると共に、後続のウェハに最適な研磨条件を適用することで研磨の精度を向上させることができる。
【０１３４】
研磨終点検出に光学式膜厚センサ４０を使用する場合には、ウエット型膜厚測定装置８０での膜厚測定値を用いて光学式膜厚センサ４０の較正を実施することもできる。光学式膜厚センサ４０の較正を実施した後には、光学式膜厚センサ４０の膜厚信号から得られる膜厚指標値または除去指標値はウエット型膜厚測定装置８０の膜厚測定値と相関が得られるため、ウエット型膜厚測定装置８０での膜厚測定を省略しても研磨の精度を保つことができる。
【０１３５】
具体的には、膜の厚さを光学式膜厚センサ４０で測定しながらウェハを研磨し、光学式膜厚センサ４０から得られた現在の膜厚の測定値が所定の値に達したときにウェハの研磨を停止し、研磨されたウェハを洗浄および乾燥する前にウエット型膜厚測定装置８０に搬送し、ウエット型膜厚測定装置８０により膜の現在の厚さを測定し、光学式膜厚センサ４０から得られた現在の膜厚の測定値と、ウエット型膜厚測定装置８０から得られた現在の膜厚の測定値との比較から、光学式膜厚センサ４０を較正し、ウェハと同一の構成を有する後続のウェハを研磨し、その間、較正された光学式膜厚センサ４０で後続のウェハの膜の厚さを測定し、光学式膜厚センサ４０から得られた膜の厚さが所定の目標値に達したときに後続のウェハの研磨を停止することによって、精度の高い研磨を実現することができる。この研磨方法によれば、測定精度の高いウエット型膜厚測定装置８０の膜厚測定値を用いて光学式膜厚センサ４０が較正される。したがって、後続のウェハの研磨中のＩｎ−ｓｉｔｕ膜厚測定の精度が向上され、結果として、ウェハの再研磨をなくすことができる。さらに、膜厚の測定結果に基づいて調整された研磨条件（研磨時間、研磨圧力など）を次のウェハの研磨に適用することができる。したがって、スループットを向上させることができる。
【０１３６】
次に、渦電流式膜厚センサ６０および光学式膜厚センサ４０について説明する。図４０は、渦電流式膜厚センサおよび光学式膜厚センサを備えた第１研磨ユニット３Ａを示す模式断面図である。なお、研磨ユニット３Ｂ〜３Ｄも、図４０に示す第１研磨ユニット３Ａと同様の構成を有しているので、その重複する説明を省略する。
【０１３７】
光学式膜厚センサ４０および渦電流式膜厚センサ６０は研磨テーブル３０Ａに埋設されており、研磨テーブル３０Ａおよび研磨パッド１０とともに一体に回転する。トップリングシャフト１６は、ベルト等の連結手段１７を介してトップリングモータ１８に連結されて回転されるようになっている。このトップリングシャフト１６の回転により、トップリング３１Ａが矢印で示す方向に回転するようになっている。
【０１３８】
光学式膜厚センサ４０は、ウェハＷの表面に光を当て、ウェハＷからの反射光を受光し、その反射光を波長にしたがって分解するように構成されている。光学式膜厚センサ４０は、光をウェハＷの被研磨面に照射する投光部４２と、ウェハＷから戻ってくる反射光を受光する受光部としての光ファイバー４３と、ウェハＷからの反射光を波長に従って分解し、所定の波長範囲に亘って反射光の強度を測定する分光光度計４４とを備えている。
【０１３９】
研磨テーブル３０Ａには、その上面で開口する第１の孔５０Ａおよび第２の孔５０Ｂが形成されている。また、研磨パッド１０には、これら孔５０Ａ，５０Ｂに対応する位置に通孔５１が形成されている。孔５０Ａ，５０Ｂと通孔５１とは連通し、通孔５１は研磨面１０ａで開口している。第１の孔５０Ａは液体供給路５３およびロータリージョイント（図示せず）を介して液体供給源５５に連結されており、第２の孔５０Ｂは、液体排出路５４に連結されている。
【０１４０】
投光部４２は、多波長の光を発する光源４７と、光源４７に接続された光ファイバー４８とを備えている。光ファイバー４８は、光源４７によって発せられた光をウェハＷの表面まで導く光伝送部である。光ファイバー４８および光ファイバー４３の先端は、第１の孔５０Ａ内に位置しており、ウェハＷの被研磨面の近傍に位置している。光ファイバー４８および光ファイバー４３の各先端は、トップリング３１Ａに保持されたウェハＷに対向して配置される。研磨テーブル３０Ａが回転するたびにウェハＷの複数の領域に光が照射される。好ましくは、光ファイバー４８および光ファイバー４３の各先端は、トップリング３１Ａに保持されたウェハＷの中心に対向して配置される。
【０１４１】
ウェハＷの研磨中は、液体供給源５５からは、透明な液体として水（好ましくは純水）が液体供給路５３を介して第１の孔５０Ａに供給され、ウェハＷの下面と光ファイバー４８，４３の先端との間の空間を満たす。水は、さらに第２の孔５０Ｂに流れ込み、液体排出路５４を通じて排出される。研磨液は水と共に排出され、これにより光路が確保される。液体供給路５３には、研磨テーブル３０Ａの回転に同期して作動するバルブ（図示せず）が設けられている。このバルブは、通孔５１の上にウェハＷが位置しないときは水の流れを止める、または水の流量を少なくするように動作する。
【０１４２】
光ファイバー４８と光ファイバー４３は互いに並列に配置されている。光ファイバー４８および光ファイバー４３の各先端は、ウェハＷの表面に対してほぼ垂直に配置されており、光ファイバー４８はウェハＷの表面にほぼ垂直に光を照射するようになっている。
【０１４３】
ウェハＷの研磨中は、投光部４２から光がウェハＷに照射され、光ファイバー（受光部）４３によってウェハＷからの反射光が受光される。分光光度計４４は、反射光の各波長での強度を所定の波長範囲に亘って測定し、得られた光強度データを動作制御部５に送る。この光強度データは、ウェハＷの膜厚を反映した膜厚信号であり、膜厚に従って変化する。動作制御部５は、光強度データから波長ごとの光の強度を表わすスペクトルを生成し、さらにスペクトルからウェハＷの膜厚を示す膜厚指標値を生成する。
【０１４４】
図４１は、光学式膜厚センサ４０の原理を説明するための模式図であり、図４２はウェハＷと研磨テーブル３０Ａとの位置関係を示す平面図である。図４１に示す例では、ウェハＷは、下層膜と、その上に形成された上層膜とを有している。投光部４２および受光部４３は、ウェハＷの表面に対向して配置されている。投光部４２は、研磨テーブル３０Ａが１回転するたびにウェハＷの中心を含む複数の領域に光を照射する。
【０１４５】
ウェハＷに照射された光は、媒質（図４１の例では水）と上層膜との界面と、上層膜と下層膜との界面で反射し、これらの界面で反射した光の波が互いに干渉する。この光の波の干渉の仕方は、上層膜の厚さ（すなわち光路長）に応じて変化する。このため、ウェハＷからの反射光から生成されるスペクトルは、上層膜の厚さに従って変化する。分光光度計４４は、反射光を波長に従って分解し、反射光の強度を波長ごとに測定する。動作制御部５は、分光光度計４４から得られた反射光の強度データ（膜厚信号）からスペクトルを生成する。このスペクトルは、光の波長と強度との関係を示す線グラフ（すなわち分光波形）として表される。光の強度は、反射率または相対反射率などの相対値として表わすこともできる。
【０１４６】
図４３は、動作制御部５によって生成されたスペクトルを示す図である。図４３において、横軸は反射光の波長を表わし、縦軸は反射光の強度から導かれる相対反射率を表わす。この相対反射率とは、反射光の強度を表わす１つの指標であり、具体的には、反射光の強度と所定の基準強度との比である。基準強度は、波長ごとに予め取得される。各波長において反射光の強度（実測強度）を対応する基準強度で割ることにより、装置の光学系や光源固有の強度のばらつきなどの不要な要素が実測強度から除去され、これによりウェハＷの膜厚情報のみを反映したスペクトルを得ることができる。
【０１４７】
所定の基準強度は、例えば、膜が形成されていないシリコンウェハ（ベアウェハ）を水の存在下で研磨しているときに得られた反射光の強度とすることができる。実際の研磨では、実測強度からダークレベル（光を遮断した条件下で得られた背景強度）を引き算して補正実測強度を求め、さらに基準強度から上記ダークレベルを引き算して補正基準強度を求め、そして、補正実測強度を補正基準強度で割り算することにより、相対反射率が求められる。具体的には、相対反射率Ｒ（λ）は、次の式（１）を用いて求めることができる。
【数１】
2015016540.tif 000003
ここで、λは波長であり、Ｅ（λ）は波長λでのウェハからの反射光の強度であり、Ｂ（λ）は波長λでの基準強度であり、Ｄ（λ）は波長λでのダークレベル（光を遮断した条件下で測定された光の強度）である。
【０１４８】
図４４に示すように、動作制御部５は、研磨中に生成されたスペクトルと複数の基準スペクトルとを比較することで、生成されたスペクトルに最も近い基準スペクトルを決定し、この決定された基準スペクトルに関連付けられた膜厚を現在の膜厚として決定する。複数の基準スペクトルは、研磨対象のウェハと同種のウェハを研磨することによって予め取得されたものであり、各基準スペクトルにはその基準スペクトルが取得されたときの膜厚が関連付けられている。すなわち、各基準スペクトルは、異なる膜厚のときに取得されたものであり、複数の基準スペクトルは複数の異なる膜厚に対応する。したがって、現在のスペクトルに最も近い基準スペクトルを特定することにより、現在の膜厚を推定することができる。この推定膜厚値は上述した膜厚指標値である。
【０１４９】
光学式膜厚センサ４０は、光を透過させる性質を持つ絶縁膜の膜厚を決定するのに適している。動作制御部５は、光学式膜厚センサ４０によって取得された膜厚指標値（光強度データ）から膜の除去量を決定することもできる。具体的には、初期膜厚指標値（初期光強度データ）から上述の方法にしたがって初期の推定膜厚値を求め、この初期の推定膜厚値から現在の推定膜厚値を引き算することにより除去量を求めることができる。
【０１５０】
上記方法に代えて、膜の除去量は、膜厚にしたがって変化するスペクトルの変化量から決定することもできる。図４５は、膜厚差Δαに対応する２つのスペクトルを示す模式図である。ここで、αは膜厚であり、研磨時には膜厚αは時間とともに減少する（Δα＞０）。図４５に示すように、スペクトルは膜厚の変化とともに波長軸に沿って移動する。異なる時間に取得された２つのスペクトル間の変化量は、これらスペクトルによって囲まれる領域（ハッチングで示す）に相当する。したがって、上記領域の面積を計算することにより、膜の除去量を決定することができる。膜の除去量Ｕは、次の式（２）から求められる。
【数２】
2015016540.tif 000004
ここで、λは光の波長であり、λ１，λ２は監視対象とするスペクトルの波長範囲を決定する下限値および上限値であり、Ｒｃは現在取得された相対反射率であり、Ｒｐは前回取得された相対反射率である。
上記式（２）に従って算出されたスペクトルの変化量は、膜の除去量を示す除去指標値である。
【０１５１】
次に、渦電流式膜厚センサ６０について説明する。渦電流式膜厚センサ６０は、コイルに高周波の交流電流を流して導電膜に渦電流を誘起させ、この渦電流の磁界に起因するインピーダンスの変化から導電膜の厚さを検出するように構成される。図４６は、渦電流式膜厚センサ６０の原理を説明するための回路を示す図である。交流電源Ｓ（電圧Ｅ［Ｖ］）から高周波の交流電流Ｉ１を渦電流式膜厚センサ６０のコイル６１に流すと、コイル６１に誘起された磁力線が導電膜中を通過する。これにより、センサ側回路と導電膜側回路との間に相互インダクタンスが発生し、導電膜には渦電流Ｉ２が流れる。この渦電流Ｉ２は磁力線を発生し、これがセンサ側回路のインピーダンスを変化させる。渦電流式膜厚センサ６０は、このセンサ側回路のインピーダンスの変化から導電膜の膜厚を検出する。
【０１５２】
図４６に示すセンサ側回路と導電膜側回路には、それぞれ次の式が成り立つ。
Ｒ１Ｉ１＋Ｌ１ｄＩ１／ｄｔ＋ＭｄＩ２／ｄｔ＝Ｅ      （３）
Ｒ２Ｉ２＋Ｌ２ｄＩ２／ｄｔ＋ＭｄＩ１／ｄｔ＝０      （４）
ここで、Ｍは相互インダクタンスであり、Ｒ１は渦電流式膜厚センサ６０のコイル６１を含むセンサ側回路の等価抵抗であり、Ｌ１はコイル６１を含むセンサ側回路の自己インダクタンスである。Ｒ２は渦電流が誘起される導電膜の等価抵抗であり、Ｌ２は渦電流が流れる導電膜の自己インダクタンスである。
【０１５３】
ここで、Ｉｎ＝Ａｎｅｊωｔ（正弦波）とおくと、上記式（３），（４）は次のように表される。
（Ｒ１＋ｊωＬ１）Ｉ１＋ｊωＭＩ２＝Ｅ      （５）
（Ｒ２＋ｊωＬ２）Ｉ２＋ｊωＭＩ１＝０      （６）
これら式（５），（６）から、次の式が導かれる。
Ｉ１＝Ｅ（Ｒ２＋ｊωＬ２）／｛（Ｒ１＋ｊωＬ１）（Ｒ２＋ｊωＬ２）＋ω２Ｍ２｝
＝Ｅ／｛（Ｒ１＋ｊωＬ１）＋ω２Ｍ２／（Ｒ２＋ｊωＬ２）｝      （７）
【０１５４】
したがって，センサ側回路のインピーダンスΦは、次の式で表される。
Φ＝Ｅ／Ｉ１＝｛Ｒ１＋ω２Ｍ２Ｒ２／（Ｒ２２＋ω２Ｌ２２）｝
＋ｊω｛Ｌ１−ω２Ｌ２Ｍ２／（Ｒ２２＋ω２Ｌ２２）｝      （８）
ここで、Φの実部（抵抗成分）、虚部（誘導リアクタンス成分）をそれぞれＸ，Ｙとおくと、上記式（８）は、次のようになる。
Φ＝Ｘ＋ｊωＹ      （９）
【０１５５】
渦電流式膜厚センサ６０は、該渦電流式膜厚センサ６０のコイル６１を含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分Ｘおよび誘導リアクタンス成分Ｙを出力する。これらの抵抗成分Ｘおよび誘導リアクタンス成分Ｙは、膜厚を反映した膜厚信号であり、ウェハの膜厚に従って変化する。
【０１５６】
図４７は、膜厚とともに変化するＸ，Ｙを、ＸＹ座標系上にプロットすることで描かれるグラフを示す図である。点Ｔ∞の座標は、膜厚が無限大であるとき、すなわち、Ｒ２が０のときのＸ，Ｙであり、点Ｔ０の座標は、基板の導電率が無視できるものとすれば、膜厚が０であるとき、すなわち、Ｒ２が無限大のときのＸ，Ｙである。Ｘ，Ｙの値から位置決めされる点Ｔｎは、膜厚が減少するに従って、円弧状の軌跡を描きながら点Ｔ０に向かって進む。なお、図４７に示す記号ｋは結合係数であり、次の関係式が成り立つ。
Ｍ＝ｋ（Ｌ１Ｌ２）１／２      （１０）
【０１５７】
図４８は、図４７のグラフ図形を反時計回りに９０度回転させ、さらに平行移動させたグラフを示す図である。図４８に示すように、膜厚が減少するに従って、Ｘ，Ｙの値から位置決めされる点Ｔｎは円弧状の軌跡を描きながら点Ｔ０に向かって進む。
【０１５８】
コイル６１とウェハＷとの間の距離Ｇは、これらの間に介在する研磨パッド１０の厚さに応じて変化する。この結果、図４９に示すように、使用する研磨パッド１０の厚さに相当する距離Ｇ（Ｇ１〜Ｇ３）に応じて、座標Ｘ，Ｙの円弧軌跡が変動する。図４９から分かるように、コイル６１とウェハＷとの間の距離Ｇにかかわらず、膜厚毎の座標Ｘ，Ｙを直線（以下、予備測定直線という）で結ぶと、その予備測定直線が交差する交点（基準点）Ｐを取得することができる。この予備測定直線ｒｎ（ｎ：１，２，３…）は、所定の基準線（図４９における水平線）Ｈに対して、膜厚に応じた仰角（挟角）θで傾斜する。したがって、この角度θは、ウェハＷの膜厚を示す膜厚指標値ということができる。
【０１５９】
動作制御部５は、角度θと膜厚との関係を示す相関データを参照することにより、研磨中に得られた角度θから膜厚を決定することができる。この相関データは、研磨対象のウェハと同種のウェハを研磨し、各角度θに対応する膜厚を測定することにより予め得られたものである。図５０は、研磨時間にしたがって変化する角度θを示すグラフである。縦軸は角度θを表し、横軸は研磨時間を表している。このグラフに示すように、研磨時間とともに角度θは増加し、ある時点で一定となる。したがって、動作制御部５は、研磨中に角度θを計算し、その角度θから現在の膜厚を取得することができる。
【０１６０】
上述した光学式膜厚センサ４０および渦電流センサ６０としては、特開２００４−１５４９２８号公報や特開２００９−９９８４２号公報などに記載されている公知の光学センサおよび渦電流センサを用いることができる。
【０１６１】
図４に示すように、第１研磨ユニット３Ａは、上述した光学式膜厚センサ４０および渦電流センサ６０に加えて、研磨テーブル３０Ａを回転させるテーブルモータ１９の入力電流（すなわち、トルク電流）を計測するトルク電流計測器７０をさらに備えている。このトルク電流計測器７０によって計測されたトルク電流値は、動作制御部５に送られ、ウェハの研磨中は動作制御部５によってトルク電流値が監視される。なお、トルク電流計測器７０を設けずに、テーブルモータ１９を駆動するインバータ（図示せず）からの出力される電流値を用いることもできる。
【０１６２】
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】
【０１６３】
１    ハウジング
２    ロード／アンロード部
３    研磨部
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ  研磨ユニット
４    洗浄部
５    動作制御部
６    第１リニアトランスポータ
７    第２リニアトランスポータ
１０    研磨パッド
１１    リフタ
１２      スイングトランスポータ
１６    トップリングシャフト
１７    連結手段
１８    トップリングモータ
１９    テーブルモータ
２０    フロントロード部
２１    走行機構
２２    搬送ロボット
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ    研磨テーブル
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄ    トップリング
３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ    研磨液供給機構
３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄ    ドレッサ
３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ    アトマイザ
４０    光学式膜厚センサ
４２    投光部
４３    受光部（光ファイバー）
４４    分光光度計
４７    光源
４８    光ファイバー
５０Ａ  第１の孔
５０Ｂ  第２の孔
５１    通孔
５３    液体供給路
５４    液体排出路
５５    液体供給源
５６    自由継手
５７    トップリング本体
５８    リテーナリング
６０    渦電流式膜厚センサ
６１    コイル
６２    メンブレン
６３    チャッキングプレート
６４    圧力調整部
７０    トルク電流計測器
７２    仮置き台
７３    一次洗浄機
７４    二次洗浄機
７５    乾燥機
７７    第１搬送ロボット
７８    第２搬送ロボット
７９    搬送ロボット
８０    ウエット型膜厚測定装置
８４    膜厚測定ヘッド
８５    オリエンテーション検出器
８７    基板ステージ
９０    リンス水供給部
９２    ヘッド移動機構
１００    光源
１０１    集光レンズ
１０３    第１のビームスプリッター
１０５    結像レンズ
１１０    分光光度計
１１２    デジタルカメラ
１１５    第２のビームスプリッター
１１６    第１のリレーレンズ
１１７    第２のリレーレンズ
１２０    処理部
１３０    気体噴射部（流体供給部）
１３１    気体供給部（流体供給部）
１３３    ノズル
１３４    気体導入ライン
１４０    液体供給部（流体供給部）
１４１    ノズル
１４２    液体供給ライン
１４３    液体排出ライン
１４５    導入空間
１４６    排出空間
１４８    仕切り壁
１５０    堰
１５１    シール部材
１５５    液体噴射部（流体供給部）
【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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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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