(57)【要約】【課題】  基板に形成された金属被膜上の自然酸化膜を除去した状態で基板の金属被膜を研磨し、基板の均一な平坦化を実現することができる基板処理方法および装置を提供する。【解決手段】  基板処理装置は、ウェハＷ上の金属被膜の表面に形成された該金属の自然酸化膜を除去する処理ユニットと、ウェハＷの金属被膜を化学機械的研磨する研磨ユニット１６，１７とを備えている。処理ユニットは、金属の自然酸化膜を溶解可能な薬液を用いたウェットエッチングユニット１４、あるいは、金属の自然酸化膜を還元可能またはエッチング可能なガスを用いたドライエッチングユニット２０６とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の金属被膜の表面に形成された該金属の自然酸化膜を除去し、
前記除去処理の後に前記基板の金属被膜を平坦化処理することを特徴とする基板処理方法。
【請求項２】
前記除去処理は、前記金属の自然酸化膜を溶解可能な薬液を用いた湿式処理であることを特徴とする請求項１に記載の基板処理方法。
【請求項３】
前記除去処理は、前記金属の自然酸化膜を還元可能またはエッチング可能なガスを用いた乾式処理であることを特徴とする請求項１に記載の基板処理方法。
【請求項４】
前記平坦化処理は、化学機械研磨、電解加工、電解加工と機械研磨とを複合させた複合電解加工のいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の基板処理方法。
【請求項５】
表面に金属被膜が形成された基板を研磨面に押圧して該金属被膜を研磨する研磨方法であって、
少なくとも基板上の金属被膜上に形成された該金属の自然酸化膜を研磨により除去する第１の研磨工程と、
前記基板の金属被膜を研磨により除去する第２の研磨工程と、
を有することを特徴とする研磨方法。
【請求項６】
前記第１の研磨工程は、前記基板を第１の圧力で前記研磨面に押圧して該基板の研磨を行う工程を含み、
前記第２の研磨工程は、前記基板を前記第１の圧力とは異なる第２の圧力で前記研磨面に押圧して該基板の研磨を行う工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の研磨方法。
【請求項７】
前記第１の圧力は前記第２の圧力よりも大きい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の研磨工程は、第１の研磨液を前記研磨面に供給しつつ前記基板を前記研磨面に押圧して該基板の研磨を行う工程を含み、
前記第２の研磨工程は、前記第１の研磨液とは異なる第２の研磨液を前記研磨面に供給しつつ前記基板を前記研磨面に押圧して該基板の研磨を行う工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の研磨方法。
【請求項９】
前記第１の研磨工程と前記第２の研磨工程との間に、水を前記研磨面に供給しつつ前記基板を前記研磨面に押圧する水供給工程を有することを特徴とする請求項５から８のいずれか一項に記載の研磨方法。
【請求項１０】
前記第１の研磨工程の終了を前記基板と前記研磨面との間の摩擦力に基づいて検出することを特徴とする請求項５から９のいずれか一項に記載の研磨方法。
【請求項１１】
表面に金属被膜が形成された基板を研磨面に押圧して該金属被膜を研磨する研磨方法であって、
前記基板を第１の圧力で前記研磨面に押圧して該基板の研磨を行う第１の研磨工程と、
前記第１の研磨工程の後に、水を前記研磨面に供給しつつ前記基板を前記研磨面に押圧する水供給工程と、
前記水供給工程の後に、前記基板を前記第１の圧力よりも大きい第２の圧力で前記研磨面に押圧して該基板の研磨を行う第２の研磨工程と、
を有することを特徴とする研磨方法。
【請求項１２】
基板上の金属被膜の表面に形成された該金属の自然酸化膜を除去する処理ユニットと、
前記基板の金属被膜を平坦化処理する平坦化ユニットと、
を備えたことを特徴とする基板処理装置。
【請求項１３】
前記処理ユニットは、前記金属の自然酸化膜を溶解可能な薬液を用いた湿式処理を行う湿式処理ユニットであることを特徴とする請求項１２に記載の基板処理装置。
【請求項１４】
前記処理ユニットは、前記金属の自然酸化膜を還元可能またはエッチング可能なガスを用いた乾式処理を行う乾式処理ユニットであることを特徴とする請求項１２に記載の基板処理装置。
【請求項１５】
前記平坦化ユニットは、前記基板の金属被膜を化学機械研磨する化学機械研磨ユニット、前記基板の金属被膜に対して電解加工を行う電解加工ユニット、電解加工と機械研磨とを複合させた複合電解加工を前記基板の金属被膜に対して行う複合電解加工ユニットのいずれかであることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一項に記載の基板処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板処理方法および装置に係り、特に半導体ウェハなどの基板を平坦かつ鏡面状に研磨する基板処理方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。このような半導体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）を行うポリッシング装置が知られている。
【０００３】
この種の化学機械研磨（ＣＭＰ）装置は、研磨パッドを上面に有する研磨テーブルとトップリングとを備えている。そして、研磨テーブルとトップリングとの間に基板（ウェハ）を介在させて、研磨パッドの表面に砥液（スラリ）を供給しつつ、トップリングによって基板を研磨テーブルに押圧して、基板の表面を平坦かつ鏡面状に研磨している。
【０００４】
基板の表面に形成された金属被膜を化学機械研磨して平坦化する場合には、例えば、スラリ中の酸化剤により金属被膜を酸化すると同時に、スラリ中のキレート剤により直ちに酸化被膜を不溶解性錯体化し、この錯体をスラリ中に含まれる砥粒などにより研磨除去することが行われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、基板の表面に銅などの金属被膜が形成されている場合、研磨以前に、空気中の水分や酸素によって金属被膜上に自然酸化膜が成長する場合がある。このような自然酸化膜が金属被膜上に形成されていると、上記キレート剤によって基板の表面が錯体化されにくくなる。また、自然酸化膜自体は上記錯体よりも研磨されにくいという性質を有している。したがって、形成された自然酸化膜の膜厚が不均一な場合は局所的に研磨が進行せず、均一な平坦化を実現できないことがある。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、基板に形成された金属被膜上の自然酸化膜を除去した状態で基板の金属被膜を研磨し、基板の均一な平坦化を実現することができる基板処理方法および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】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によれば、表面に金属被膜が形成された基板の処理方法が提供される。この基板処理方法によれば、基板上の金属被膜の表面に形成された該金属の自然酸化膜が除去された後、基板の金属被膜が平坦化処理される。
【０００８】
本発明によれば、基板に形成された金属被膜上の自然酸化膜が除去された状態で、基板の金属被膜を平坦化処理することができるので、基板の均一な平坦化を再現性よく実現することができる。
【０００９】
本発明の好ましい一態様によれば、上記除去処理として、上記金属の自然酸化膜を溶解可能な薬液を用いた湿式処理を行う。このような薬液としては、酸性薬液または溶解性錯体を形成するキレート剤溶液が挙げられる。基板に形成された金属被膜が銅であれば、フッ酸、硫酸、塩酸、リン酸のような無機酸、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、蓚酸、マロン酸、コハク酸、リンゴ酸のような有機酸、あるいはハロゲン化物、カルボン酸ないしその塩、アンモニア、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、グリシン等のアミノ酸のアルカリ溶液等の溶解性錯体を形成するキレート剤の溶液を用いることができる。
【００１０】
本発明の好ましい一態様によれば、上記除去処理として、上記金属の自然酸化膜を還元可能またはエッチング可能なガスを用いた乾式処理を行う。例えば、プロセスガスとして水素とアルゴンの混合ガスを用い、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）により生成された水素プラズマを基板の表面に照射して自然酸化膜をエッチングする。用いるガスの性状によっては、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により基板の表面をエッチングしてもよく、磁気励起反応性イオンエッチング（ＭＥＲＩＥ）により基板の表面をエッチングしてもよい。水素のほかに用いることができるガスとしてはアンモニアなどが考えられる。また、水素やアンモニア、ギ酸や酢酸などの有機酸などを数百℃程度に加熱して還元雰囲気にすることにより、基板の表面の自然酸化膜を還元して除去してもよい。また、上記平坦化処理は、化学機械研磨、電解加工、電解加工と機械研磨とを複合させた複合電解加工のいずれかにより行うことができる。
【００１１】
本発明の第２の態様によれば、表面に金属被膜が形成された基板を研磨面に押圧して該金属被膜を研磨する研磨方法が提供される。この研磨方法によれば、少なくとも基板上の金属被膜上に形成された該金属の自然酸化膜を研磨により除去する第１の研磨工程を行い、その後、上記基板の金属被膜を研磨により除去する第２の研磨工程を行う。
【００１２】
本発明によれば、従来から使用している研磨装置の構成を大きく変更することなく、基板に形成された金属被膜上の自然酸化膜を除去した状態で、基板表面の金属被膜を研磨することができ、均一な平坦化を実現することができる。
【００１３】
本発明の好ましい一態様によれば、上記第１の研磨工程として、基板を第１の圧力で上記研磨面に押圧して該基板の研磨を行い、上記第２の研磨工程として、上記基板を上記第１の圧力とは異なる第２の圧力で上記研磨面に押圧して該基板の研磨を行う。この場合において、上記第１の圧力は上記第２の圧力よりも大きいことが好ましい。このような研磨方法によれば、研磨の途中で研磨液を変更する必要もなく、連続して研磨処理を行うことができる。
【００１４】
本発明の好ましい一態様によれば、上記第１の研磨工程として、第１の研磨液を上記研磨面に供給しつつ上記基板を上記研磨面に押圧して該基板の研磨を行い、上記第２の研磨工程として、上記第１の研磨液とは異なる第２の研磨液を上記研磨面に供給しつつ上記基板を上記研磨面に押圧して該基板の研磨を行う。
【００１５】
本発明の好ましい一態様によれば、上記第１の研磨工程と上記第２の研磨工程との間に、水を上記研磨面に供給しつつ上記基板を上記研磨面に押圧する水供給工程を行う。第１の研磨工程と第２の研磨工程とで研磨圧力（基板を研磨面に押圧する圧力）を変更する場合には、第１の研磨工程で研磨圧力により温度上昇が生じる場合があるが、第１の研磨工程と第２の研磨工程との間で上記水供給工程を行うことで、加工点の温度を一旦下げることができ、その後の第２の研磨工程を精度よく行うことができる。また、第１の研磨工程と第２の研磨工程とで研磨液を変更する場合においても、第１の研磨工程で用いた研磨液の残存量を低減し、第２の研磨工程で用いる研磨液の研磨特性に対する悪影響を最小限に抑えることができる。
【００１６】
本発明の好ましい一態様によれば、前記第１の研磨工程の終了を前記基板と前記研磨面との間の摩擦力に基づいて検出する。これにより、第１の研磨工程を適切なタイミングで終了し、適切なタイミングで第２の研磨工程に移行することができ、良好な平坦化を実現することができる。
【００１７】
本発明の第３の態様によれば、表面に金属被膜が形成された基板を研磨面に押圧して該金属被膜を研磨する研磨方法が提供される。この研磨方法によれば、上記基板を第１の圧力で上記研磨面に押圧して該基板の研磨を行う第１の研磨工程を行い、その後、水を上記研磨面に供給しつつ上記基板を上記研磨面に押圧する水供給工程を行う。水供給工程の後、上記基板を上記第１の圧力よりも大きい第２の圧力で上記研磨面に押圧して該基板の研磨を行う。
【００１８】
研磨圧力を高くすると、加工点での温度上昇が生じやすいが、それがある限度を超えてしまうと、その後の研磨工程で研磨圧力を下げても温度がなかなか低下せず、研磨液（スラリ）中の酸化剤の劣化などによるスラリの研磨特性の悪化を招き、その後の研磨工程での研磨速度の低下や研磨特性に悪影響を与えることがある。上述した研磨方法によれば、第１の研磨工程と第２の研磨工程の間で、研磨液の供給を停止し、水を供給して研磨を行うので、加工点の温度を一旦下げることができ、精度よく第２の研磨工程を行うことが可能となる。
【００１９】
本発明の第４の態様によれば、基板上の金属被膜を研磨する基板処理装置が提供される。この基板処理装置は、金属被膜の表面に形成された該金属の自然酸化膜を除去する処理ユニットと、上記基板の金属被膜を平坦化処理する平坦化ユニットとを備えている。この処理ユニットは、上記金属の自然酸化膜を溶解可能な薬液を用いた湿式処理を行う湿式処理ユニット、あるいは、上記金属の自然酸化膜を還元可能またはエッチング可能なガスを用いた乾式処理を行う乾式処理ユニットとすることができる。また、平坦化ユニットは、上記基板の金属被膜を化学機械研磨する化学機械研磨ユニット、上記基板の金属被膜に対して電解加工を行う電解加工ユニット、電解加工と機械研磨とを複合させた複合電解加工を上記基板の金属被膜に対して行う複合電解加工ユニットのいずれかとすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、基板に形成された金属被膜上の自然酸化膜が除去された状態で、基板の金属被膜を平坦化することができるので、基板の均一な平坦化を再現性よく実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る基板処理装置の実施形態について図１から図１９を参照して詳細に説明する。なお、図１から図１９において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施形態における基板処理装置としての研磨装置を示す平面図である。図１に示すように、研磨装置は、多数の半導体ウェハをストックするウェハカセット１を載置するロード／アンロードステージ２を４つ備えている。このロード／アンロードステージ２に沿って走行機構３が設けられており、この走行機構３の上には、２つのハンドを有する第１搬送ロボット４が配置されている。また、走行機構３に隣接して膜厚測定器１００が配置されている。第１搬送ロボット４のハンドは、ロード／アンロードステージ２上の各ウェハカセット１および膜厚測定器１００にアクセス可能となっている。
【００２３】
第１搬送ロボット４の走行機構３を対称軸としてウェハカセット１と反対側には、２台の洗浄・乾燥機５，６が配置されている。第１搬送ロボット４のハンドは、これらの洗浄・乾燥機５，６にもアクセス可能となっている。各洗浄機５，６は、ウェハを高速回転させて乾燥させるスピンドライ機能を有している。また、２台の洗浄・乾燥機５，６の間には、４つの半導体ウェハの載置台７，８，９，１０を備えたウェハステーション１１が配置されており、第１搬送ロボット４のハンドがこのウェハステーション１１にアクセス可能となっている。
【００２４】
洗浄機５と３つの載置台７，９，１０に到達可能な位置には、２つのハンドを有する第２搬送ロボット１２が配置されており、洗浄・乾燥機６と３つの載置台８，９，１０に到達可能な位置には、２つのハンドを有する第３搬送ロボット１３が配置されている。ここで、載置台７は第１搬送ロボット４と第２搬送ロボット１２との間で半導体ウェハを受渡すために使用され、載置台８は第１搬送ロボット４と第３搬送ロボット１３との間で半導体ウェハを受渡すために使用される。また、載置台９は第２搬送ロボット１２から第３搬送ロボット１３へ半導体ウェハを搬送するために使用され、載置台１０は第３搬送ロボット１３から第２搬送ロボット１２へ半導体ウェハを搬送するために使用される。なお、載置台９は載置台１０の上に位置している。
【００２５】
洗浄機５に隣接して、第２搬送ロボット１２のハンドがアクセス可能な位置には、半導体ウェハなどの基板の表面に形成された金属被膜の自然酸化膜をエッチングにより溶解除去する湿式処理ユニットとしてのウェットエッチングユニット１４が配置されている。また、洗浄機６に隣接して、第３搬送ロボット１３のハンドがアクセス可能な位置には、研磨後のウェハを洗浄する洗浄機１５が配置されている。
【００２６】
図１に示すように、研磨装置は、基板の金属被膜を平坦化処理する平坦化ユニットとしての２つの研磨ユニット１６，１７を備えている。それぞれの研磨ユニット１６，１７は、それぞれ２つの研磨テーブルと、ウェハを保持しかつウェハを研磨テーブルに対して押圧しながら研磨するための１つのトップリングとを備えている。すなわち、研磨ユニット１６は、第１の研磨テーブル１８と、第２の研磨テーブル１９と、トップリング２０と、研磨テーブル１８に研磨液を供給するための研磨液供給ノズル２１と、研磨テーブル１８のドレッシングを行うためのドレッサ２２と、研磨テーブル１９のドレッシングを行うためのドレッサ２３とを備えている。また、研磨ユニット１７は、第１の研磨テーブル２４と、第２の研磨テーブル２５と、トップリング２６と、研磨テーブル２４に研磨液を供給するための研磨液供給ノズル２７と、研磨テーブル２４のドレッシングを行うためのドレッサ２８と、研磨テーブル２５のドレッシングを行うためのドレッサ２９とを備えている。
【００２７】
また、研磨ユニット１６には、第２搬送ロボット１２のハンドがアクセス可能な位置に半導体ウェハを反転させる反転機３０が設置されており、この反転機３０には第２搬送ロボット１２によって半導体ウェハが搬送される。同様に、研磨ユニット１７には、第３搬送ロボット１３のハンドがアクセス可能な位置に半導体ウェハを反転させる反転機３１が設置されており、この反転機３１には第３搬送ロボット１３によって半導体ウェハが搬送される。
【００２８】
これらの反転機３０，３１とトップリング２０，２６の下方には、反転機３０，３１とトップリング２０，２６との間でウェハを搬送するロータリトランスポータ３２が配置されている。ロータリトランスポータ３２には、ウェハを載せるステージが４ヶ所等配に設けられており、複数のウェハを同時に搭載できるようになっている。反転機３０，３１に搬送されたウェハは、ロータリトランスポータ３２のステージの中心と、反転機３０または３１でチャックされたウェハの中心の位相が合ったときに、ロータリトランスポータ３２の下方に設置されたリフタ３３または３４が昇降することで、ロータリトランスポータ３２上に搬送される。
【００２９】
ロータリトランスポータ３２のステージ上に載せられたウェハは、ロータリトランスポータ３２が回転することで、トップリング２０または２６の下方へ搬送される。トップリング２０または２６は予めロータリトランスポータ３２の位置に揺動しておく。トップリング２０または２６の中心がロータリトランスポータ３２に搭載されたウェハの中心と位相が合ったとき、それらの下方に配置されたプッシャ３５または３６が昇降することで、ウェハはロータリトランスポータ３２からトップリング２０または２６に移送される。
【００３０】
トップリング２０または２６に移送されたウェハは、トップリング２０または２６の真空吸着機構により吸着され、ウェハは吸着されたまま研磨テーブル１８または２４まで搬送される。そして、ウェハは研磨テーブル１８または２４上に取り付けられた研磨パッドまたは砥石等からなる研磨面で研磨される。上述した第２の研磨テーブル１９，２５は、それぞれトップリング２０，２６が到達可能な位置に配置されている。これにより、第１の研磨テーブル１８，２４でウェハを研磨した後に、このウェハを第２の研磨テーブル１９，２５でも研磨できるようになっている。研磨が終了したウェハは、同じルートで反転機３０および３１まで戻される。
【００３１】
図２は、図１の研磨装置内のウェットエッチングユニット１４を示す縦断面図である。図２に示すように、ウェットエッチングユニット１４は、シリンダ１４０内に軸受１４１を介して回転可能に設けられた回転駆動体１４２と、回転駆動体１４２の上部に設けられ、ウェハＷの周縁部を把持するチャック部１４３とを備えている。回転駆動体１４２の下端にはプーリ１４４が取り付けられており、このプーリ１４４はベルト１４５およびプーリ１４６を介してモータ１４７と連結されている。したがって、モータ１４７の回転により回転駆動体１４２が回転し、チャック部１４３に保持されたウェハＷが回転するようになっている。なお、チャック部１４３としては、回転による遠心力でウェハを把持する遠心チャック機構やピンチャック機構などのチャック機構を用いることができる。
【００３２】
回転駆動体１４２の上方には、ウェハＷの表面に形成された金属の自然酸化膜をエッチングするための薬液や純水をウェハＷに噴射する薬液／純水ノズル１４８が設けられている。この薬液としては、酸性薬液または溶解性錯体を形成するキレート剤溶液が挙げられる。基板に形成された金属被膜が銅であれば、フッ酸、硫酸、塩酸、リン酸のような無機酸、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、蓚酸、マロン酸、コハク酸、リンゴ酸のような有機酸、あるいはハロゲン化物、カルボン酸ないしその塩、アンモニア、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、グリシン等のアミノ酸のアルカリ溶液等の溶解性錯体を形成するキレート剤の溶液を用いる。なお、これらの薬液を混合して混合溶液として使用することもできる。また、表面の濡れ性の問題によりウェハＷの全体に均一に薬液を行き渡らせにくい場合には、上記薬液に界面活性剤を添加し濡れ性を改善して処理効率を上げてもよい。
【００３３】
エッチング時には、上記薬液が薬液／純水ノズル１４８からウェハＷの中心近傍に向かって供給される。ウェハＷの中心近傍に供給された薬液は、ウェハＷの回転による遠心力のためにウェハＷの周縁部へ向かうので、ウェハＷの全面にわたって薬液を行き渡らせることができる。なお、チャック部１４３によりウェハＷが把持される部分には薬液が供給されないこととなるが、例えば、遠心チャック機構を用いた場合には、回転駆動体１４２の回転速度を一時的に上げてまたは落として遠心力を増加または減少させ、ウェハＷをチャック部１４３に対して滑らせ、これによりウェハＷの把持位置を変化させて、ウェハの全域にわたって薬液を供給することができる。
【００３４】
上述した金属の自然酸化膜のエッチングが終了すると、薬液／純水ノズル１４８の供給源が図示しない切替制御器により切り替えられ、薬液／純水ノズル１４８からウェハＷには純水が供給される。この純水の供給により、ウェハＷ上に残留する薬液がリンスおよび洗浄される。薬液をウェハＷに供給する方法としては、図２に示すようなノズルを使用する例に限られず、ウェハＷを薬液に浸漬してもよい。あるいは、ロール式、スプレー式、スピン式など、基板処理において広く用いられている薬液塗布装置を用いることができる。
【００３５】
ここで、図２に示すように、ウェットエッチングユニット１４内の回転駆動体１４２の上方には、投光部１４９ａと受光部１４９ｂと演算部１４９ｃとを有する膜厚測定器１４９が配置されている。膜厚測定器１４９は、図示しない揺動機構に接続されて揺動可能となっており、投光部１４９ａからウェハＷの全面に対して光を照射することができるようになっている。このような膜厚測定器１４９により、ウェハＷから反射した光を解析してエッチング処理中にウェハＷの膜厚を測定し、エッチングの終点を検出することができる（In-Situ）。
【００３６】
この膜厚測定器１４９の投光部１４９ａから照射される光は、短波長光であっても多波長光であってもどちらでもよい。また、本実施形態では、膜厚測定器１４９として光学式のものを説明したが、センサコイルに交流信号を供給して自然酸化膜を含む金属被膜に渦電流を生成し、この渦電流を検出回路のセンサコイルにより検出する渦電流センサを用いた膜厚測定器を用いることもできる。この場合において、センサコイルは、ウェハＷの上面（すなわち配線形成面）側であってもウェハの裏面側であってもどちらでもよい。
【００３７】
上述した膜厚測定器１４９によって、ウェハＷの全面の膜厚分布、特にウェハＷの半径方向の膜厚分布の測定データを得ることもできる。この場合において、この測定データを研磨ユニット１６，１７にフィードバックして、研磨工程において各半径方向の研磨レートを最適化することも可能である。例えば、トップリング２０，２６によるウェハＷの押圧力を、相対的に膜厚の厚い領域で高くなるように設定し、研磨レートを半径方向ごとに設定することにより、より面内均一性の高い研磨を行うことができる。
【００３８】
図３は、ウェハＷに対する押圧力を領域ごとに変化させることができるトップリング１６０を示す断面図である。トップリング１６０は、図３に示すように、トップリング本体１６１と、トップリング本体１６１の外縁下部に設けられたリテーナリング１６２と、トップリング本体１６１に対して上下動するチャッキングプレート１６３とを備えている。トップリング本体１６１と駆動軸１６４は、自在継手部１６５により互いに連結されている。自在継手部１６５は、トップリング本体１６１を駆動軸１６４の下端に傾動自在に支持する球１６６を具備する球軸受機構と、駆動軸１６４の回転をトップリング本体１６１に伝達する回転伝達機構（図示せず）とを備えている。
【００３９】
チャッキングプレート１６３の下面には、複数の弾性膜１６７，１６８によりプロファイルコントロールが可能なウェハ保持面が形成されている。すなわち、ウェハＷの外周部に当接しウェハＷとともに内部の空間をシールするシールリング１６９と、その内部の空間に設けられた環状のリングチューブ１７０と、円形状のセンターバッグ１７１とにより、ウェハ保持面は、複数の区画された圧力室１７２，１７３に分割されている。また、センターバッグ１７１の内部には圧力室１７４が形成されており、リングチューブ１７０の内部には圧力室１７５が形成されている。
【００４０】
各圧力室１７２，１７３，１７４，１７５には、流体路１７６，１７７，１７８，１７９がそれぞれ連通しており、各圧力室１７２，１７３，１７４，１７５に供給する圧力流体の圧力を調節することができるようになっている。このような構成により、それぞれの圧力室１７２，１７３，１７４，１７５によるウェハＷに対する押圧力を独立に制御することができ、それぞれの圧力室１７２，１７３，１７４，１７５に対応する部分の研磨レートを制御することができる。
【００４１】
次に、上述した研磨装置における研磨処理について説明する。研磨されるウェハは、金属被膜が形成された面を上向きにしてウェハカセット１内に収容され、多数のウェハを収容したウェハカセット１がロード／アンロードステージ２に載置される。第１搬送ロボット４は、このウェハカセット１から１枚のウェハを取り出し、このウェハを載置台７に搬送する。ここで、ウェハを載置台７に搬送する前に膜厚測定器１００に搬送し、予めウェハ表面の自然酸化膜の膜厚を測定しておくこともできる。膜厚測定器１００において、ウェハ表面の自然酸化膜の膜厚を計測し、この自然酸化膜の膜厚に応じたエッチング処理時間を研磨装置内の制御装置（データベース）にて演算しておけば、後段のウェットエッチングユニット１４における自然酸化膜のエッチング時間を適切に設定することができる。
【００４２】
載置台７に載置されたウェハは、第２搬送ロボット１２によりウェットエッチングユニット１４に搬送される。このウェットエッチングユニット１４では、上述したように自然酸化膜をエッチングするための薬液が薬液／純水ノズル１４８（図２参照）からウェハに供給され、ウェハの金属被膜上の自然酸化膜が薬液により溶解除去される。金属の自然酸化膜のエッチングが終了すると、薬液／純水ノズル１４８からの供給が薬液から純水に切り替えられ、ウェハＷ上に残留する薬液がリンスおよび洗浄される。
【００４３】
エッチングを終えたウェハは、第２搬送ロボット１２によりウェットエッチングユニット１４から取り出され、反転機３０に搬送される。反転機３０ではウェハが反転され、金属被膜形成面が下向きになった状態でロータリトランスポータ３２に受渡される。ウェハを受け取ったロータリトランスポータ３２は９０度回転し、ウェハをプッシャ３５に搬送する。プッシャ３５上のウェハは、研磨ユニット１６のトップリング２０に吸着され、研磨テーブル１８上に移動され、ここで研磨される。上述したように、この第１の研磨テーブル１８での研磨の後、第２の研磨テーブル２５で研磨してもよい。
【００４４】
研磨後のウェハは、プッシャ３５からロータリトランスポータ３２に受渡される。ウェハを受け取ったロータリトランスポータ３２は１８０度回転し、ウェハを反転機３１に搬送する。反転機３１ではウェハが反転され、金属被膜形成面が上向きになった状態でウェハが第３搬送ロボット１３に受け渡される。第３搬送ロボット１３は、このウェハを洗浄機１５に搬送し、洗浄機１５においてウェハの洗浄が行われる。洗浄後のウェハは、第３搬送ロボット１３により洗浄機１５から取り出され、洗浄・乾燥機６に導入される。洗浄・乾燥機６では、ウェハのリンスおよび乾燥処理が行われ、乾燥後のウェハは第１搬送ロボット４によりウェハカセット１に戻される。
【００４５】
本実施形態では、研磨装置内に２台の洗浄・乾燥機５，６と、１台のウェットエッチングユニット１４と、１台の洗浄機１５とを設置しているが、この構成に限られるものではない。例えば、１台の洗浄・乾燥機と１台のエッチングユニットと２台の洗浄機とを設置してもよいし、２台の洗浄・乾燥機と１台のエッチングユニットと１台の洗浄・乾燥機とを設置してもよい。あるいは、１台の洗浄機と２台のエッチングユニットと１台の洗浄・乾燥機とを設置してもよい。
【００４６】
また、本実施形態では、研磨ユニット１６，１７とは別の処理ユニットとしてウェットエッチングユニット１４を設けた例を説明したが、上述したウェットエッチング機構を研磨ユニット１６または１７内に組み込んでもよい。あるいは、上記エッチング処理で使用される薬液の中から適切なものを選択して、研磨ユニット１６，１７の研磨液供給ノズル２１，２７から研磨テーブルに供給して上記エッチング処理を研磨ユニット１６，１７内で行うこともできる。これらの場合には、エッチング処理後直ちに研磨処理を行うことができるので、薬液処理後の自然酸化膜の成長を抑制することができる。このように、薬液処理後の自然酸化膜の成長を避けるため、薬液処理後できるだけ速やかに研磨処理を行うことが好ましい。なお、自然酸化膜の溶解除去に用いる薬液が、研磨処理において用いるスラリの研磨性能に悪影響を与える場合には、薬液処理後に超純水などでウェハをリンスする必要がある。
【００４７】
図４は、本発明の第２の実施形態における基板処理装置としての研磨装置を示す平面図である。図４に示すように、研磨装置は、ウェハカセット１を載置するロード／アンロードステージ２と、ウェハカセット１にアクセス可能なハンドを有する第１搬送ロボット２０１と、第１搬送ロボット２０１の両側に設置された載置台２０２，２０３と、これらの第１搬送ロボット２０１と載置台２０２，２０３に沿って配列された真空チャンバ２０４とを備えている。
【００４８】
この真空チャンバ２０４の内部には、載置台２０２にアクセス可能なハンドを有する第２搬送ロボット２０５と、ウェハの表面に形成された金属の自然酸化膜を還元またはエッチングする乾式処理ユニットとしてのドライエッチングユニット２０６と、載置台２０３にアクセス可能なハンドを有する第３搬送ロボット２０７とが収容されている。第２搬送ロボット２０５とドライエッチングユニット２０６との間と、第３搬送ロボット２０７とドライエッチングユニット２０６との間には、それぞれシャッタ２０８，２０９が設けられている。第２搬送ロボット２０５が設置されたロボット室Ａと第３搬送ロボット２０７が設置されたロボット室Ｂは、真空ポンプ２１０に接続されており、それぞれロードロックとしての役割を有している。また、ドライエッチングユニット２０６も真空ポンプ２１０に接続されている。
【００４９】
また、載置台２０２と第２搬送ロボット２０５との間には、載置台２０２から第２搬送ロボット２０５にウェハを搬送するときに使用するシャッタ（図示せず）が設けられており、同様に、載置台２０３と第３搬送ロボット２０７との間には、第３搬送ロボット２０７から載置台２０３にウェハを搬送するときに使用するシャッタ（図示せず）が設けられている。
【００５０】
載置台２０３に到達可能な位置には、第４搬送ロボット２１１が配置されている。この第４搬送ロボット２１１の両側には２台の洗浄・乾燥機２１２，２１３が配置されている。この洗浄・乾燥機２１２，２１３は第１の実施形態における洗浄・乾燥機５，６と同様の機能を有する。また、第４搬送ロボット２１１に隣接して載置台１２４が配置されており、この載置台１２４の両側には２台の洗浄機２１５，２１６が配置されている。第４搬送ロボット２１１のハンドは、洗浄・乾燥機２１２，２１３、載置台１２４、洗浄機２１５，２１６にアクセス可能となっている。
【００５１】
洗浄機２１５と載置台２１４に到達可能な位置には、２つのハンドを有する第５搬送ロボット２１７が配置されており、洗浄機２１６と載置台２１４に到達可能な位置には、２つのハンドを有する第６搬送ロボット２１８が配置されている。第５搬送ロボット２１７のハンドがアクセス可能な位置には反転機２１９が配置され、第６搬送ロボット２１８のハンドがアクセス可能な位置には反転機２２０が配置されている。これらの反転機２１９，２２０に対応してトランスポータ２２１，２２２が設けられている。
【００５２】
トランスポータ２２１，２２２に隣接して、研磨ユニット２２３，２２４が配置されている。研磨ユニット２２３は、研磨テーブル２２５とトップリング２２６とプッシャ２２７とを備えており、研磨ユニット２２４は、研磨テーブル２２８とトップリング２２９とプッシャ２３０とを備えている。また、本実施形態における研磨装置には、図４に示すように、研磨ユニット２２３，２２４の研磨テーブル２２５，２２８にスラリを供給するスラリ供給装置２３１や薬液／純水供給装置２３２、装置の制御を行う制御装置２３３、装置の運転状態を監視するモニタ２３４が付設されている。
【００５３】
真空チャンバ２０４内のドライエッチングユニット２０６は、プロセスガスを用いてウェハの表面の自然酸化膜を還元またはエッチングするものであり、図４に示すように、プロセスガス供給装置２３５がドライエッチングユニット２０６に接続されている。例えば、ドライエッチングユニット２０６は、プロセスガスとして水素とアルゴンの混合ガスを用い、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）により生成された水素プラズマをウェハの表面に照射して自然酸化膜をエッチングする。用いるガスの性状によっては、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりウェハの表面をエッチングしてもよく、磁気励起反応性イオンエッチング（ＭＥＲＩＥ）によりウェハの表面をエッチングしてもよい。水素のほかに用いることができるガスとしてはアンモニアなどが考えられる。また、ドライエッチングユニット２０６に加熱処理のためのチャンバを設け、水素やアンモニア、ギ酸や酢酸などの有機酸などを数百℃程度に加熱してチャンバ内を還元雰囲気にすることにより、ウェハの表面の自然酸化膜を還元して除去してもよい。
【００５４】
次に、上述した研磨装置における研磨処理について説明する。研磨されるウェハは、金属被膜が形成された面を上向きにしてウェハカセット１内に収容され、多数のウェハを収容したウェハカセット１がロード／アンロードステージ２に載置される。第１搬送ロボット２０１は、このウェハカセット１から１枚のウェハを取り出し、このウェハを載置台２０２に搬送する。そして、載置台２０２と第２搬送ロボット２０５との間のシャッタを開き、第２搬送ロボット２０５によって載置台２０２に載置されたウェハを真空チャンバ２０４内のロボット室Ａに導入する。
【００５５】
ウェハがロボット室Ａ内に搬入された後、真空ポンプ２１０を駆動してロボット室Ａ、ドライエッチングユニット２０６、ロボット室Ｂを真空にする。ロボット室Ａを真空にした後、ロボット室Ａとドライエッチングユニット２０６との間のシャッタ２０８を開き、第２搬送ロボット２０５によりウェハをドライエッチングユニット２０６内に搬送する。ドライエッチングユニット２０６内では、上述したプロセスガスを用いたドライエッチングが行われ、ウェハの表面の自然酸化膜が還元またはエッチングされる。
【００５６】
ドライエッチングユニット２０６においてドライエッチングが終了すると、ドライエッチングユニット２０６と第３搬送ロボット２０７との間のシャッタ２０９を開き、第３搬送ロボット２０７によりウェハをロボット室Ｂに導入する。その後、ロボット室Ｂの真空を開放し、第３搬送ロボット２０７と載置台２０３との間のシャッタを開き、第３搬送ロボット２０７から載置台２０３にウェハを搬送する。
【００５７】
載置台２０３に載置されたウェハは、第４搬送ロボット２１１により載置台２１４に搬送される。載置台２１４に載置されたウェハは、第５搬送ロボット２１７により反転機２１９に搬送される。反転機２１９ではウェハが反転され、金属被膜形成面が下向きになった状態でウェハがトランスポータ２２１に受け渡される。トランスポータ２２１上のウェハは研磨ユニット２２３のプッシャ２２７によってトップリング２２６に吸着され、研磨テーブル２２５上に移動され、ここで研磨される。
【００５８】
研磨後のウェハは、プッシャ２２７からトランスポータ２２１を介して反転機２１９に搬送される。反転機２１９ではウェハが反転され、金属被膜形成面が上向きになった状態で第５搬送ロボット２１７に受渡される。第５搬送ロボット２１７は、このウェハを洗浄機２１５に搬送し、洗浄機２１５においてウェハの洗浄が行われる。洗浄後のウェハは、第４搬送ロボット２１１により洗浄機２１５から取り出され、洗浄・乾燥機２１２に導入される。洗浄・乾燥機２１２では、ウェハのリンスおよび乾燥処理が行われる。乾燥後のウェハは第４搬送ロボット２１１により載置台２０３に搬送され、載置台２０３に載置されたウェハは第１の搬送ロボット２０１によりウェハカセット１に戻される。
【００５９】
なお、ドライエッチングユニット２０６においてドライエッチングを行った後、研磨ユニット２２３における研磨を行う前に、ウェハを洗浄機２１５または２１６に導入して洗浄を行ってもよい。また、洗浄工程の選択によっては、載置台２０３と第４搬送ロボット２１１を省略することもできる。また、本実施形態では、研磨ユニット２２３，２２４とは別の処理ユニットとしてドライエッチングユニット２０６を設けた例を説明したが、上述したドライエッチング機構を研磨ユニット２２３または２２４内に組み込んでもよい。
【００６０】
上述の実施形態においては、薬液を用いた湿式処理やガスを用いた乾式処理によって自然酸化膜を除去する例を説明したが、自然酸化膜を研磨ユニットにおける研磨により除去することも可能である。すなわち、まず、ウェハ表面の金属被膜の自然酸化膜を研磨するのに適した条件で研磨を行い、自然酸化膜を研磨除去し（第１の研磨工程）、その後、ウェハ表面の金属被膜を研磨するのに適した条件に変更してウェハの金属被膜を除去する（第２の研磨工程）。このような２段研磨方法によれば、従来から使用している研磨装置の構成を大きく変更することなく、ウェハに形成された金属被膜上の自然酸化膜を除去した状態で、ウェハの金属被膜を研磨することができ、均一な平坦化を実現することができる。
【００６１】
ここで、自然酸化膜を研磨するのに適した研磨条件下でウェハ表面の金属被膜をある程度研磨することができる場合も考えられる。そのような場合には、第１の研磨工程において自然酸化膜だけではなく金属被膜をある程度まで研磨してもよい。ただし、第１の研磨工程を過度に続けると、例えば、銅の埋め込み配線形成工程の場合であれば、研磨残りが生じたり、ディッシング量が増大したりして平坦化特性が悪化するので、少なくとも銅を研磨し終える前に第２の研磨工程に移行する必要がある。
【００６２】
このような２段研磨方法の一例として、ウェハを研磨面に押圧する圧力（研磨圧力）を変更する方法が考えられる。一般的には自然酸化膜の方が金属被膜に比べて研磨しにくいので、例えば銅の研磨の場合、第１の研磨工程として、例えば１７．２２５ｋＰａ（２．５ｐｓｉ）以上、好ましくは１７．２２５ｋＰａ〜２７．５６ｋＰａ（２．５ｐｓｉ〜４．０ｐｓｉ）の高圧の研磨圧力で主に自然酸化膜の研磨除去を行い、その後、第２の研磨工程として、研磨圧力を例えば１０．３３５ｋＰａ（１．５ｐｓｉ）以下、好ましくは１０．３３５ｋＰａ〜３．４４５ｋＰａ（１．５ｐｓｉ〜０．５ｐｓｉ）の低圧にして金属被膜の研磨除去を行う。このように、第１の研磨工程における研磨圧力を第２の研磨工程における研磨圧力より高くすることで、第１の研磨工程において主として自然酸化膜の研磨除去を行い、第２の研磨工程において金属被膜の研磨除去を行うことができる。
【００６３】
このような研磨方法によれば、処理装置を研磨ユニットとは別に設けることなく、ウェハ表面に形成された金属被膜上の自然酸化膜を除去した状態で、ウェハの金属被膜を研磨することができ、均一な平坦化を実現することができる。また、研磨の途中でスラリを変更する必要もなく、連続して研磨処理を行うことができる。
【００６４】
ここで、第１の研磨工程で研磨圧力を高くすると、加工点での温度上昇が生じやすいが、それがある限度を超えてしまうと、第２の研磨工程に移行して研磨圧力を下げても温度がなかなか低下せず、スラリ中の酸化剤の劣化などによるスラリの研磨特性の悪化を招き、第２の研磨工程での研磨速度の低下や研磨特性に悪影響を与えることがある。そこで、第１の研磨工程と第２の研磨工程の間で、研磨液（スラリ）の供給を停止し、水を供給して研磨を行う工程（水供給工程）を行うのがよい。これにより、加工点の温度を一旦下げることができる。このような水供給工程の後、研磨液（スラリ）を供給して第２の研磨工程に移行することにより精度よく第２の研磨工程を行うことができる。
【００６５】
図５は、このような水供給工程を行った場合の効果を示すグラフである。点線は水供給工程を行わなかった場合を示し、実線は水供給工程を行った場合を示している。図５に示すように、第１の研磨工程と第２の研磨工程との間に水供給工程を行うことで、研磨面（研磨パッド）の温度を大きく下げることができ、ディッシング量も抑えられた。図５に示す例では、水供給工程を行わなかった場合のディッシング量は６０〜７５ｎｍであり、水供給工程を行った場合のディッシング量は４０〜６０ｎｍとなった。
【００６６】
また、上述した２段研磨方法の他の例として、研磨面に供給する研磨液（スラリ）の組成を変更する方法が考えられる。すなわち、第１の研磨工程において、ｐＨを酸性にしたスラリ、防食剤を除去したスラリ、溶解性の金属錯体を形成するキレート剤を含むスラリ等を使用し、第２の研磨工程においては通常の研磨工程で使用されるスラリを用いる。このように、第１の研磨工程において使用されるスラリを自然酸化膜の除去に適したものとし、自然酸化膜が研磨除去された後の第２の研磨工程において通常の金属膜を研磨するスラリに変更する。このような方法によれば、処理装置を研磨ユニットとは別に設けることなく、ウェハ上の金属被膜上の自然酸化膜が除去された状態で、ウェハの金属被膜を研磨して均一な平坦化を実現することができる。
【００６７】
この場合において、第１の研磨工程で用いる研磨スラリの残存が第２の研磨工程で用いるスラリの研磨特性に対して悪影響を与えることがある。したがって、上述した研磨圧力の変更を行う場合と同様に、第１の研磨工程と第２の研磨工程の間に研磨液（スラリ）の供給を停止し、水を供給する水供給工程を行うことが好ましい。このような水供給工程により、第１の研磨工程で用いたスラリの残存量を低減し、第２の研磨工程で用いるスラリの研磨特性に対する悪影響を最小限に抑えることができる。
【００６８】
ここで、良好な平坦化を実現するためには、第１の研磨工程を適切なタイミングで終了し、適切なタイミングで第２の研磨工程に移行する必要がある。したがって、第１の研磨工程の終点を検出する、あるいは適切に設定しておくことが好ましい。以下、このような第１の研磨工程の終点を検出あるいは設定する方法について述べる。
【００６９】
第１の研磨工程において自然酸化膜を研磨除去し終わると、ウェハの表面性状が変わるので、研磨中のウェハと研磨面との間の摩擦力が変化する。すなわち、最上層の自然酸化膜を研磨していくと、研磨は金属被膜の領域に達し、材料の差異による摩擦係数の違いがウェハと研磨面との間の摩擦力の変化を生じさせる。したがって、この摩擦力を検出して、第１の研磨工程の終点を検出することができる。例えば、銅被膜を通常のスラリを用いて所定の研磨圧力で研磨する場合、自然酸化膜を研磨除去し終わると、銅被膜の表面全体が不溶解性錯体で覆われることとなり、一般的には摩擦力が急激に増加する。したがって、この摩擦力の変化を検出して、第１の研磨工程の終点を検出することができる。
【００７０】
また、上述したウェハと研磨面との間の摩擦力は、回転する研磨テーブルまたはトップリングに対しては負荷トルクとして作用するため、研磨テーブルまたはトップリングに働くトルクを検出することにより上記摩擦力を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が電動モータにより回転駆動される場合には、上記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、モータに流れる電流を電流計でモニタすることで、第１の研磨工程の終点を検出することができる。
【００７１】
図６は、研磨テーブル３００に作用するトルクを検出して研磨中のウェハＷと研磨面３０１との間の摩擦力を検出する研磨ユニットを示す模式図である。図６に示すように、この研磨ユニットは、研磨テーブル３００を回転させる電動モータ３０２を備えており、研磨テーブル３００はモータ３０２の駆動によりベルト３０３を介して回転される。モータ３０２は、モータ３０２の電流を検出し信号処理する電流モニタ３０４に接続されており、この電流モニタ３０４は研磨中にモータ３０２に流れる電流を検出する。この電流の変化を測定することにより、研磨テーブル３００のトルクの変化、すなわちトップリング３０５に保持されたウェハＷと研磨面３０１との間の摩擦力の変化を検出して、第１の研磨工程の終点を検出することができる。
【００７２】
具体的には、図７に示すようなフローに従って２段研磨が行われる。第１の研磨工程が開始され、ウェハＷの自然酸化膜が研磨され始める（Ｓ１）と、モータ３０２に流れる電流が予め設定された電流値Ｉmax（閾値）を超えるかどうかが判断される（Ｓ２）。この閾値Ｉmaxは、予めオペレータにより入力されるものであってもよいし、あるいは、過去のデータを格納したデータベースに基づいて設定されるものであってもよい。
【００７３】
電流モニタ３０４で測定される電流値が閾値Ｉmaxを超えない場合は、第１の研磨工程が継続される。一方、電流値が閾値Ｉmaxを超えた場合には、第１の研磨工程の終点であると判断され、第２の研磨工程が開始され、ウェハＷに形成された金属被膜の研磨が行われる（Ｓ３）。この第２の研磨工程においては、図示しない膜厚測定器により研磨中のウェハＷの膜厚が測定され（Ｓ４）、この膜厚値が予め設定された膜厚値Ｔlimit（閾値）以下であるかどうかが判断される（Ｓ５）。なお、この閾値Ｔlimitは、予めオペレータにより入力されるものであってもよいし、あるいは、過去のデータを格納したデータベースに基づいて設定されるものであってもよい。測定された膜厚値が閾値Ｔlimitよりも大きい場合は、第２の研磨工程が継続され、電流値が閾値Ｔlimit以下になると第２の研磨工程が終了する。
【００７４】
図６に示す例では、研磨テーブル３００を回転させるモータ３０２の電流値を検出して研磨テーブル３００に作用するトルク（摩擦力）を検出しているが、トップリング３０５に作用するトルクを計測してもよい。また、トップリング３０５と研磨テーブル３００のそれぞれに働くトルクを計測してもよい。さらに、モータ電流を検出するのではなく、直接トップリング３０５と研磨テーブル３００上の研磨面３０１との間に生じる摩擦力を計測してもよい。いずれにしても、研磨対象物であるウェハＷや研磨液の性状等をはじめとする研磨条件に応じて適切な方法を選択することができる。
【００７５】
図８は、高い研磨圧力で自然酸化膜を研磨除去した後に研磨圧力を下げて金属被膜の研磨を行った場合の研磨パッド（研磨面）の温度とモータ電流の変化を示すグラフである。点線は研磨パッドの温度を示し、実線はモータ電流を示している。図８に示す例では、第１の研磨工程として研磨圧力Ｐ１を１７．２２５ｋＰａ（２．５ｐｓｉ）として自然酸化膜の研磨除去を行い、モータ電流が大きくなったところで研磨圧力Ｐ２を１０．３３５ｋＰａ（１．５ｐｓｉ）に変更して第２の研磨工程に移行している。この例では、さらに研磨圧力Ｐ３を６．８９ｋＰａ（１．０ｐｓｉ）まで下げている。
【００７６】
図８に示すように、摩擦力の変化（モータ電流の変化）を検出した後、直ちに第２の研磨工程に移行してもよいが、図９に示すように、摩擦力の変化（モータ電流の変化）を検出した後、ある程度の時間第１の研磨工程を継続し、その後に第２の研磨工程に移行してもよい。なお、図８に示す例のディッシング量は５５〜６０ｎｍ、図９に示す例のディッシング量は８５〜９０ｎｍであった。
【００７７】
第１の研磨工程の終点を検出する別の方法としては、図１０に示すような渦電流センサ４００を用いてウェハの表面の膜厚を測定して、測定された膜厚から第１の研磨工程の終点を検出してもよい。この渦電流センサ４００は、センサコイル４０１と、センサコイル４０１に接続された交流信号源４０２と、センサコイル４０１および交流信号源４０２に接続された検出回路４０３とを備えている。センサコイル４０１は、研磨テーブルに埋設され、ウェハＷ上の自然酸化膜を含む金属被膜４０４に近傍に配置される。
【００７８】
このような渦電流センサ４００は、交流信号源４０２によりセンサコイル４０１に交流信号を供給して、自然酸化膜を含む金属被膜４０４に渦電流を形成させ、渦電流を検出回路４０３により検出する。検出された渦電流信号のインピーダンスを抵抗成分とリアクタンス成分に分け、これらの変位を測定することによりウェハＷの表面上の金属被膜４０４の膜厚が検出される。
【００７９】
また、図１１に示すような光学式センサを用いて第１の研磨工程の終点を検出することもできる。図１１に示す光学式センサは、円柱状の水流５００をウェハＷに向けて噴出する水噴出ノズル５０１と、水噴出ノズル５０１から噴出された水流５００を受ける水受皿５０２と、照射用ファイバ５０３と受光用ファイバ５０４とを有する測定演算部５０５とを備えている。水噴出ノズル５０１および水受皿５０２は研磨テーブル５０６内に形成されている。測定演算部５０５の照射用ファイバ５０３と受光用ファイバ５０４の先端部は水噴出ノズル５０１内に配置されている。
【００８０】
水噴出ノズル５０１には水流管５０７を介して加圧水流５００が供給され、水噴出ノズル５０１の先端から細い円柱状の水流５００がウェハＷの表面に噴出され、トップリング５０８に保持されたウェハＷの表面に測定スポット５０９を形成する。この状態で測定演算部５０５から照射用ファイバ５０３を通して水流５００内に光を送り、水流５００を通してこの光をウェハＷの測定スポット５０９に照射する。測定スポット５０９で反射した反射光は水流５００および受光用ファイバ５０４を通って測定演算部５０５に導かれ、測定演算部５０５では反射光に基づいてウェハＷの膜厚が検出される。このような光学式センサによれば、ウェハＷの表面に付着するスラリが水流５００によって洗浄されるので、ノイズの少ない反射光を得ることができる。
【００８１】
ここで、上述した電流モニタと渦電流センサ、電流モニタと光学式センサ、渦電流センサと光学式センサ、あるいは電流モニタと渦電流センサと光学式センサ、といったように、上述したモニタまたはセンサを適宜組み合わせて第１の研磨工程の終点を検出してもよい。
【００８２】
ウェハに形成される自然酸化膜の膜厚は、研磨工程の前工程から研磨工程に至るまでのウェハの待機時間に比例して大きくなる。ウェハカセット内には複数のウェハが収納されているが、同一のウェハカセット内のウェハについてはほぼ同一の待機時間となるので、同一のウェハカセット内のウェハには、ほぼ同一の膜厚で自然酸化膜が形成される。そこで、ウェハカセットごとに自然酸化膜を研磨除去するのに必要な時間を設定する、すなわち、第１の研磨工程の終点を設定することとしてもよい。
【００８３】
すなわち、図１２に示すように、ウェハカセットが研磨装置に搬入されると、前工程から研磨工程に至るまでのウェハの待機時間が取得される（Ｓ１１）。例えば、研磨装置と研磨装置の前工程で使用される装置とをネットワークを介して情報を伝達可能に構成し、ウェハカセットが研磨装置のロード／アンロードステージに載置されると、識別器によりウェハカセットに割り当てられたＩＤコードを読み取る。このＩＤコードに基づいて、研磨装置の前工程終了時から研磨装置のロード／アンロードステージにウェハカセットが載置されるまでの待機時間のデータがネットワークを介して取得される。
【００８４】
研磨装置内の制御部では、取得されたウェハの待機時間から待機時間に比例した自然酸化膜の膜厚が演算され（Ｓ１２）、この自然酸化膜の膜厚に基づいて自然酸化膜を研磨除去するのに必要な研磨時間Ｔ１が研磨レートとの関係から設定される（Ｓ１３）。そして、第１の研磨工程が開始され、ウェハの自然酸化膜が研磨され始める（Ｓ１４）と、上記設定された研磨時間Ｔ１を超え（Ｓ１５）、かつ、モータ３０２（図６参照）に流れる電流が予め設定された電流値Ｉmax（閾値）を超えるまで（Ｓ１６）第１の研磨工程が続けられる。研磨時間Ｔ１が経過し、モータ電流が閾値Ｉmaxを超えると、第２の研磨工程が開始され、ウェハに形成された金属被膜の研磨が行われる（Ｓ１７）。
【００８５】
図１２に示す例では、研磨時間Ｔ１が経過し、かつ、モータ電流が閾値Ｉmaxを超えるまで第１の研磨工程を継続したが、図１３に示すようなフローでもよい。すなわち、研磨時間が研磨時間Ｔ１を超えるかどうかをまず判断し（Ｓ１８）、超えた場合には第２の研磨工程を開始する（Ｓ１７）。研磨時間Ｔ１を超えなかった場合には、モータ電流が閾値Ｉmaxを超えるかどうかを判断し（Ｓ１９）、超えた場合には第２の研磨工程を開始し（Ｓ１７）、超えなかった場合には第１の研磨工程を継続する。この場合において、研磨時間が研磨時間Ｔ１を超えたかどうかの判断とモータ電流が閾値Ｉmaxを超えたかどうかの判断の順序の前後を入れ替えてもよい。
【００８６】
また、図１２および図１３に示す例では、前工程からの待機時間に基づいて自然酸化膜の膜厚を演算しているが、図１４および図１５に示すように、ウェハが研磨装置に搬入された後に、例えば、フーリエ変換赤外分光法（Fourier  Transform  Infrared  Spectrometer：FT-IR）を用いた膜厚測定器により自然酸化膜の膜厚を測定し（Ｓ２０）、この膜厚から研磨レートとの関係で自然酸化膜を研磨除去するのに必要な研磨時間Ｔ１を設定してもよい（Ｓ２１）。なお、図１４および図１５に示すフローはウェハごとに行ってもよいが、上述したように、ウェハカセット内のウェハにはほぼ同一の膜厚で自然酸化膜が形成されるので、ウェハカセット内の最初に研磨されるウェハのみ、または最初から数枚目に研磨されるウェハのみ、あるいは一定枚数ごとのウェハに対して行うこととしてもよい。
【００８７】
ここで、上述した基板処理方法は、図１や図４に示した研磨装置だけでなく、種々の基板処理装置に適用することができる。例えば、図１６に示すような構成の基板処理装置にも本発明に係る基板処理方法を適用することができる。図１６に示す基板処理装置は、ウェハカセットを載置する３つのロード／アンロードステージ６００を備えている。このロード／アンロードステージ６００に沿って走行機構６０１が設けられており、この走行機構６０１の上には、２つのハンドを有する第１搬送ロボット６０２が配置されている。また、走行機構６０１に隣接して膜厚測定器６０３が配置されている。第１搬送ロボット６０２のハンドは、ロード／アンロードステージ６００上の各ウェハカセットおよび膜厚測定器６０３にアクセス可能となっている。
【００８８】
また、図１６に示す基板処理装置は、４つの研磨ユニット６０４〜６０７を備えており、これらの研磨ユニット６０４〜６０７は装置の長手方向に沿って配列されている。それぞれの研磨ユニットには、研磨面を有する研磨テーブル６０８と、半導体ウェハを保持しかつ半導体ウェハを研磨テーブル６０８に対して押圧しながら研磨するためのトップリング６０９と、研磨テーブル６０８に研磨液やドレッシング液（例えば、水）を供給するための研磨液供給ノズル６１０と、研磨テーブル６０８のドレッシングを行うためのドレッサ６１１と、液体（例えば純水）と気体（例えば窒素）の混合流体を霧状にして、１または複数のノズルから研磨面に噴射するアトマイザ６２２とを備えている。
【００８９】
研磨ユニット６０４，６０５の近傍には、長手方向に沿ってウェハを搬送する第１リニアトランスポータ６１２が設置されており、この第１リニアトランスポータ６１２のロード／アンロードステージ６００側には、第１搬送ロボット６０２から受け取ったウェハを反転する反転機６１３が配置されている。また、研磨ユニット６０６，６０７の近傍にも、長手方向に沿ってウェハを搬送する第２リニアトランスポータ６１４が設置されている。
【００９０】
また、この基板処理装置は、第２搬送ロボット６１５と、第２搬送ロボット６１５から受け取ったウェハを反転する反転機６１６と、研磨後の半導体ウェハを洗浄する４つの洗浄機６１７〜６２０と、反転機６１６および洗浄機６１７〜６２０の間でウェハを搬送する搬送ユニット６２１とを備えている。これらの第２搬送ロボット６１５、反転機６１６、および洗浄機６１７〜６２０は、長手方向に沿って直列に配置されている。
【００９１】
このような基板処理装置において、ウェハカセット内のウェハは、反転機６１３、第１リニアトランスポータ６１２、第２リニアトランスポータ６１４を経て各研磨ユニット６０４〜６０７に導入される。これらの研磨ユニット６０４〜６０７では上述した基板処理方法を行うことができる。研磨後のウェハは、第２搬送ロボット６１５および反転機６１６を経て洗浄機６１７〜６２０に導入され、ここで洗浄される。洗浄後のウェハは、第１搬送ロボット６０２によりウェハカセットに戻される。
【００９２】
また、上述した例では、基板の金属被膜を平坦化処理する平坦化ユニットが、金属被膜を化学機械研磨する化学機械研磨ユニットである場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、化学機械研磨ユニットに代えて、電解液や超純水を用いて基板の金属被膜に対して電解加工を行う電解加工ユニットや、電解加工と機械研磨とを複合させた複合電解加工を基板の金属被膜に対して行う複合電解加工ユニットを用いることもできる。
【００９３】
例えば、上述の２段研磨方法を電解加工に適用すれば、第１の研磨工程における電流または電圧と第２の研磨工程における電流または電圧を適宜変更することにより、ウェハに形成された金属被膜上の自然酸化膜を除去した状態でウェハの金属被膜を除去することができるので、均一な平坦化を実現することができる。
【００９４】
図１７は、上述した化学機械研磨ユニットに代えて使用できる電解加工ユニット７００の一例を示す平面図である。この電解加工ユニット７００は、回転（自転）自在な円形の電極テーブル７０２を備えており、この電極テーブル７０２の円周方向に沿った所定の位置に、両側に給水ノズル７０４を備えた加工電極７０６と給電電極７０８とが交互に配置されている。加工電極７０６および給電電極７０８は電源（図示せず）に接続されている。
【００９５】
このような電解加工ユニット７００においては、電極テーブル７０２を回転させつつ、給水ノズル７０４から純水または超純水を供給して、電極テーブル７０２の回転によりウェハＷに対向する位置に移動された加工電極７０６と給電電極７０８とによって、必要に応じて回転させたウェハＷが加工される。
【００９６】
図１８は上述した化学機械研磨ユニットに代えて使用できる複合電解加工ユニット８００の一例を示す平面図、図１９は図１８の縦断面図である。図１８および図１９に示すように、この複合電解加工ユニット８００は、上下動可能かつ水平面に沿って往復運動可能なアーム８０２と、アーム８０２の自由端に垂設されて、表面（被処理面）を下向き（フェイスダウン）にしてウェハＷを吸着保持するウェハホルダ８０４と、アーム８０２が取付けられる可動フレーム８０６と、矩形状の加工テーブル８０８と、加工テーブル８０８に設けられた電源８１０とを備えている。図１８に示す例では、加工テーブル８０８の大きさは、ウェハホルダ８０４で保持するウェハＷの外径よりも一回り大きく設定されている。
【００９７】
可動フレーム８０６の上部には上下動用モータ８１２が設置されており、この上下動用モータ８１２には上下方向に延びるボールねじ８１４が連結されている。ボールねじ８１４にはアーム８０２の基部８０２ａが取付けられており、上下動用モータ８１２の駆動に伴ってアーム８０２がボールねじ８１４を介して上下動するようになっている。また、可動フレーム８０６自体も、水平方向に延びるボールねじ８１６に取付けられており、往復動用モータ８１８の駆動に伴って可動フレーム８０６およびアーム８０２が水平面に沿って往復運動するようになっている。
【００９８】
ウェハホルダ８０４は、アーム８０２の自由端に設置された自転用モータ８２０に接続されており、この自転用モータ８２０の駆動に伴って回転（自転）できるようになっている。また、上述したように、アーム８０２は上下動および水平方向に往復運動可能となっており、ウェハホルダ８０４はアーム８０２と一体となって上下動及び水平方向に往復運動可能となっている。
【００９９】
また、加工テーブル８０８の下方には中空モータ８２２が設置されており、この中空モータ８２２の主軸８２４には、この主軸８２４の中心から偏心した位置に駆動端８２６が設けられている。加工テーブル８０８は、その中央において上記駆動端８２６に軸受（図示せず）を介して回転自在に連結されている。また、加工テーブル８０８と中空モータ８２２との間には、周方向に３つ以上の自転防止機構（図示せず）が設けられている。これらの自転防止機構によって、中空モータ８２２の駆動により加工テーブル８０８がスクロール運動（並進回転運動）を行うようになっている。
【０１００】
図１８に示すように、加工テーブル８０８は、例えば固定砥粒からなる複数の機械的加工部８３０と、電解加工部を構成する複数の加工電極８３２および給電電極８３４を備えている。また、図１９に示すように、加工テーブル８０８は、平板状のベース８３６を備えており、このベース８３６の上面に、Ｘ方向（図１８参照）に沿って延びる複数の加工電極８３２と給電電極８３４が、所定間隔離間して交互に配置されている。これらの加工電極８３２および給電電極８３４は電源８１０に接続されている。そして、加工電極８３２を挟む給電電極８３４の両側に、Ｘ方向（図１８参照）に沿って延びる複数の機械的加工部８３０が配置されている。各加工電極８３２の上面は、断面半円状のイオン交換体８３８で覆われている。
【０１０１】
そして、電源８１０により加工電極８３２と給電電極８３４との間に所定の電圧を印加し、イオン交換体８３８により生成された水素イオンまたは水酸化物イオンによって、加工電極（陰極）８３２において、ウェハＷの表面の導電体膜の電解加工を行う。このとき、加工電極８３２と対面する部分において加工が進行するが、ウェハＷと加工電極８３２とを相対移動させることによりウェハＷの全面の加工を行っている。同時に、機械的加工部８３０をウェハＷの表面に擦り付けることで、純水または超純水の存在下で、ウェハＷの表面の導電体膜に機械的加工を施す。
【０１０２】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の第１の実施形態における基板処理装置としての研磨装置を示す平面図である。
【図２】図１の研磨装置内のウェットエッチングユニットを示す縦断面図である。
【図３】ウェハに対する押圧力を領域ごとに変更することができるトップリングを示す縦断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における基板処理装置としての研磨装置を示す平面図である。
【図５】本発明に係る研磨方法において水供給工程を行う場合の効果を示すグラフである。
【図６】研磨テーブルに作用するトルクを検出して研磨中のウェハと研磨面との間の摩擦力を検出する研磨ユニットを示す模式図である。
【図７】本発明に係る研磨方法の一例を示すフローチャートである。
【図８】本発明に係る研磨方法を行った場合の研磨パッドの温度とモータ電流の変化を示すグラフである。
【図９】本発明に係る研磨方法を行った場合の研磨パッドの温度とモータ電流の変化を示すグラフである。
【図１０】渦電流を用いてウェハの表面の膜厚を測定する渦電流センサの構成を示す模式図である。
【図１１】ウェハの表面の膜厚を測定する光学式センサを備えた研磨ユニットを示す模式図である。
【図１２】本発明に係る研磨方法の一例を示すフローチャートである。
【図１３】本発明に係る研磨方法の一例を示すフローチャートである。
【図１４】本発明に係る研磨方法の一例を示すフローチャートである。
【図１５】本発明に係る研磨方法の一例を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第３の実施形態における基板処理装置としての研磨装置を示す平面図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態における基板処理装置の電解加工ユニットの一例を示す平面図である。
【図１８】本発明の第５の実施形態における基板処理装置の複合電解加工ユニットの一例を示す平面図である。
【図１９】図１８の縦断面図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１    ウェハカセット
２    ロード／アンロードステージ
３    走行機構
４，２０１    第１搬送ロボット
５，６，２１２，２１３    洗浄・乾燥機
７，８，９，１０，２０２，２０３    載置台
１１    ウェハステーション
１２，２０５    第２搬送ロボット
１３，２０７    第３搬送ロボット
１４    ウェットエッチングユニット
１５，２１５，２１６    洗浄機
１６，１７，２２３，２２４    研磨ユニット
１８，１９，２４，２５，２２５，２２８，３００    研磨テーブル
２０，２６，２２６，２２９，３０５    トップリング
２１，２７    研磨液供給ノズル
２２，２３，２８，２９    ドレッサ
３０，３１，２１９，２２０    反転機
３２    ロータリトランスポータ
３３，３４    リフタ
３５，３６，２２７，２３０    プッシャ
１００    膜厚測定器
１４０    シリンダ
１４１    軸受
１４２    回転駆動体
１４３    チャック部
１４４，１４６    プーリ
１４５    ベルト
１４７    モータ
１４８    薬液／純水ノズル
２０４    真空チャンバ
２０６    ドライエッチングユニット
２１０    真空ポンプ
２１１    第４搬送ロボット
２１７    第５搬送ロボット
２１８    第６搬送ロボット
２２１，２２２    トランスポータ
２３５    プロセスガス供給装置
３０２    モータ
３０４    電流モニタ
７００    電解加工ユニット
８００    複合電解加工ユニット
【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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