(57)【要約】【課題】ウェハの周方向に膜厚のばらつきがあっても、研磨パッド上のウェハの研磨状態を正確に取得することができる研磨装置を提供する。【解決手段】センサヘッド４０は、研磨テーブル１０内に設置され、研磨テーブル１０とともに回転する。研磨装置は、研磨テーブル１０およびウェハＷを回転させながら、研磨パッド１２上のウェハＷの研磨が実質的に進行しないアイドリング工程を実行し、センサヘッド４０は、アイドリング工程中に膜厚データを取得し、処理部１８は、膜厚データから膜の研磨の進行を示す研磨指標値を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜が形成されたウェハを研磨する研磨装置において、
研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
ウェハを回転させながら前記研磨パッドに押し付けるトップリングと、
前記膜の厚さに従って変化する膜厚データを取得するセンサヘッドと、
前記膜厚データに基づいて前記ウェハの研磨の進行を監視する処理部とを備え、
前記センサヘッドは、前記研磨テーブル内に設置され、前記研磨テーブルとともに回転し、
前記研磨装置は、前記研磨テーブルおよび前記ウェハを回転させながら、前記研磨パッド上の前記ウェハの研磨が実質的に進行しないアイドリング工程を実行し、
前記センサヘッドは、前記アイドリング工程中に前記膜厚データを取得し、
前記処理部は、前記膜厚データから前記膜の研磨の進行を示す研磨指標値を算出することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記研磨装置は、前記研磨パッド上に水を供給する水供給ノズルをさらに備えており、
前記アイドリング行程は、前記水供給ノズルから前記研磨パッド上に水を供給しながら前記ウェハを水研磨する工程であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】
前記アイドリング行程中に前記センサヘッドが前記膜厚データを取得する時間は、前記センサヘッドが前記ウェハ上に描く軌跡が前記ウェハの周方向において均等に分布する時間であることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
【請求項４】
前記アイドリング行程中に、前記研磨テーブルの回転速度および前記ウェハの回転速度のうち少なくとも１つを変えることを特徴とする請求項３に記載の研磨装置。
【請求項５】
前記処理部は、前記アイドリング工程中に取得された前記膜厚データの平均データを算出し、該平均データから前記研磨指標値を決定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項６】
前記処理部は、前記研磨指標値に基づいて前記ウェハの研磨終点を決定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項７】
前記処理部は、前記研磨指標値が所定の目標値に達するために必要な追加研磨時間を算出することを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【請求項８】
前記研磨指標値は、前記膜の厚さを示す膜厚指標値であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項９】
前記研磨指標値は、研磨によって除去された前記膜の量を示す研磨量であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記処理部は、前記アイドリング工程と前回のアイドリング工程で取得された２つの膜厚データの差分の絶対値を算出することにより前記研磨量を求め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】
前記センサヘッドは、光学式センサであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１２】
前記センサヘッドは、渦電流センサであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１３】
膜が形成されたウェハを研磨する研磨方法において、
センサヘッドが埋設された研磨テーブルを回転させ、
ウェハを回転させながら該ウェハを前記研磨テーブル上の研磨パッドに押し付けて前記ウェハを研磨し、
前記研磨テーブルおよび前記ウェハを回転させながら、前記研磨パッド上の前記ウェハの研磨が実質的に進行しないアイドリング工程を実行し、
前記アイドリング工程中に、前記膜の厚さに従って変化する膜厚データを前記センサヘッドにより取得し、
前記膜厚データから前記膜の研磨の進行を示す研磨指標値を算出することを特徴とする研磨方法。
【請求項１４】
前記アイドリング行程は、前記研磨パッド上に水を供給しながら前記ウェハを水研磨する工程であることを特徴とする請求項１３に記載の研磨方法。
【請求項１５】
前記アイドリング行程中に前記センサヘッドが前記膜厚データを取得する時間は、前記センサヘッドが前記ウェハ上に描く軌跡が前記ウェハの周方向において均等に分布する時間であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の研磨方法。
【請求項１６】
前記アイドリング行程中に、前記研磨テーブルの回転速度および前記ウェハの回転速度のうち少なくとも１つを変えることを特徴とする請求項１５に記載の研磨方法。
【請求項１７】
前記アイドリング工程中に取得された前記膜厚データの平均データを算出し、該平均データから前記研磨指標値を決定することを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか一項に記載の研磨方法。
【請求項１８】
前記研磨指標値に基づいて前記ウェハの研磨終点を決定することを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれか一項に記載の研磨方法。
【請求項１９】
前記研磨指標値が所定の目標値に達するために必要な追加研磨時間を算出することを特徴とする請求項１８に記載の研磨方法。
【請求項２０】
前記研磨指標値は、前記膜の厚さを示す膜厚指標値であることを特徴とする請求項１３乃至１９のいずれか一項に記載の研磨方法。
【請求項２１】
前記研磨指標値は、研磨によって除去された前記膜の量を示す研磨量であることを特徴とする請求項１３乃至１９のいずれか一項に記載の研磨方法。
【請求項２２】
前記アイドリング工程と前回のアイドリング工程で取得された２つの膜厚データの差分の絶対値を算出することにより前記研磨量を求めることを特徴とする請求項２１に記載の研磨方法。
【請求項２３】
前記センサヘッドは、光学式センサであることを特徴とする請求項１３乃至２２のいずれか一項に記載の研磨方法。
【請求項２４】
前記センサヘッドは、渦電流センサであることを特徴とする請求項１３乃至２２のいずれか一項に記載の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハの研磨装置および研磨方法に関し、特に半導体ウェハの研磨終点を検出することができる研磨装置および研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウェハを研磨する研磨装置においては、その研磨終点を検出するために光学式センサや渦電流センサなどを用いた研磨終点検出装置が備えられている（例えば、特許文献１，２参照）。光学式センサは、主に絶縁層（透明層）の研磨の進行を監視し、その研磨終点を検出する目的で使用され、渦電流センサは主に導電層（金属膜）の研磨の進行を監視し、その研磨終点を検出する目的で使用される。
【０００３】
図１６は、一般的な研磨装置を示す模式図である。研磨装置は、研磨パッド１００を支持する研磨テーブル１０１と、ウェハＷを保持し回転させるトップリング１１０と、研磨パッド１００に研磨液（スラリー）を供給するスラリー供給機構１１５と、ウェハＷの膜厚に従って変化する膜厚データを取得するセンサヘッド１２０とを備えている。センサヘッド１２０は、上述した光学式センサまたは渦電流センサである。センサヘッド１２０は、研磨テーブル１０１内に設置されており、研磨テーブル１０１が１回転するたびにウェハＷの膜厚データを取得する。
【０００４】
トップリング１１０および研磨テーブル１０１は、矢印で示すように回転し、この状態でトップリング１１０は、ウェハＷを研磨パッド１００の研磨面１００ａに押し付ける。スラリー供給機構１１５からは研磨液が研磨パッド１００上に供給され、ウェハＷは、研磨液の存在下で研磨パッド１００との摺接により研磨される。ウェハＷの研磨中、センサヘッド１２０は研磨テーブル１０１と共に回転し、矢印Ａに示すようにウェハＷの表面を横切りながら膜厚データを取得する。そして、膜厚が所定の目標値に達したときに、ウェハＷの研磨が終了される。
【０００５】
近年、半導体デバイスの微細化に伴い、研磨終点検出の精度に対する要求が極めて厳しくなっている。しかしながら、上述の光学式センサや渦電流センサは、ウェハ面内の周方向における膜厚のばらつきや配線パターンの影響によって、ウェハの正確な研磨状態を取得することができなかった。このため、従来の研磨終点検出装置は、残膜厚や研磨量に対する要求精度を満たすことが困難であった。
【０００６】
図１７は、ウェハの周方向における膜厚分布の一例を示すグラフであり、より具体的には、ウェハの中心点から１１６ｍｍの距離にある領域、およびウェハの中心点から１４５ｍｍの距離にある領域でのウェハの周方向（０〜３６０°）における銅の膜厚分布を示している。図１７に示すように、研磨前の膜厚はウェハの周方向においてばらついており、この周方向の膜厚のばらつきが研磨終点検出精度を低下させてしまう。
【０００７】
このような問題を改善するために、図１８に示すように、研磨されたウェハを研磨テーブルからインライン膜厚測定器に搬送し、この膜厚測定器でウェハの膜厚を測定し、必要に応じてウェハを再研磨（リワーク）することが行われている。しかしながら、過剰研磨を原因とするスクラップウェハを少なくするためには、研磨時間を目標膜厚の達成に必要な時間よりも短く設定する必要がある。その結果、リワーク率が増加して生産効率が低下するという問題があった。
【０００８】
図１８に示すプロセスラインでは、インライン膜厚測定器を用いて研磨後（および研磨前）の膜厚を測定して研磨レートを更新し、後続のウェハの研磨時間に最新の研磨レートをフィードバックすることが行われている。しかしながら、研磨されたウェハは、膜厚測定器で膜厚測定される前に洗浄および乾燥などのプロセスを経る必要があるため、４〜５枚の後続ウェハが研磨されて初めて研磨時間の補正が可能になるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１５４９２８号公報
【特許文献２】特開２００９−９９８４２号公報
【特許文献３】特開２００２−２１９６４５号公報
【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を解決するためになされたもので、ウェハの周方向に膜厚のばらつきがあっても、研磨パッド上のウェハの研磨状態を正確に取得することができる研磨装置および研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、膜が形成されたウェハを研磨する研磨装置において、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、ウェハを回転させながら前記研磨パッドに押し付けるトップリングと、前記膜の厚さに従って変化する膜厚データを取得するセンサヘッドと、前記膜厚データに基づいて前記ウェハの研磨の進行を監視する処理部とを備え、前記センサヘッドは、前記研磨テーブル内に設置され、前記研磨テーブルとともに回転し、前記研磨装置は、前記研磨テーブルおよび前記ウェハを回転させながら、前記研磨パッド上の前記ウェハの研磨が実質的に進行しないアイドリング工程を実行し、前記センサヘッドは、前記アイドリング工程中に前記膜厚データを取得し、前記処理部は、前記膜厚データから前記膜の研磨の進行を示す研磨指標値を算出することを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の態様は、膜が形成されたウェハを研磨する研磨方法において、センサヘッドが埋設された研磨テーブルを回転させ、ウェハを回転させながら該ウェハを前記研磨テーブル上の研磨パッドに押し付けて前記ウェハを研磨し、前記研磨テーブルおよび前記ウェハを回転させながら、前記研磨パッド上の前記ウェハの研磨が実質的に進行しないアイドリング工程を実行し、前記アイドリング工程中に、前記膜の厚さに従って変化する膜厚データを前記センサヘッドにより取得し、前記膜厚データから前記膜の研磨の進行を示す研磨指標値を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、アイドリング工程中に膜の厚さに従って変化する膜厚データが取得される。アイドリング工程では研磨が実質的に進行しない、すなわち膜厚が変わらないので、計測時間がある程度長くなっても正確な膜厚データを得ることができる。また、計測時間を長くすることができるので、アイドリング工程中にセンサヘッドを複数回ウェハを横切るように移動させることができ、結果としてウェハの周方向の膜厚のばらつきの影響を少なくすることができる。さらに、ウェハを研磨パッド上に置いたまま膜厚データを取得することができるので、その膜厚データから得られる研磨指標値を現在研磨中のウェハの研磨に反映させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態における研磨装置を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）は、ウェハ面上に描かれるセンサヘッドの軌跡の例を示す図である。
【図３】ウェハの膜厚に基づいてウェハの研磨終点を決定する実施形態を示すフローチャートである。
【図４】ウェハの研磨量に基づいてウェハの研磨終点を決定する実施形態を示すフローチャートである。
【図５】センサヘッドとして光学式センサを使用した研磨装置の例を示す図である。
【図６】光学式センサの原理を説明するための模式図である。
【図７】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８】処理部によって生成されたスペクトルを示す図である。
【図９】生成された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１０】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１１】渦電流センサの原理を説明するための等価回路を示す図である。
【図１２】研磨時間とともに変化する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１３】図１２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１４】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１５】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。
【図１６】一般的な研磨装置を示す模式図である。
【図１７】ウェハの周方向における膜厚分布の一例を示すグラフである。
【図１８】ウェハの処理シーケンスを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、本発明の一実施形態における研磨装置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１２を支持する研磨テーブル１０と、ウェハＷを保持し回転させるトップリング１５と、研磨パッド１２に研磨液（スラリー）を供給するスラリー供給機構３０と、ウェハＷの膜厚に従って変化する膜厚データを取得するセンサヘッド４０とを備えている。センサヘッド４０の例としては、光学式センサや渦電流センサが挙げられる。センサヘッド４０は、研磨テーブル１０内に設置されており、研磨テーブル１０が１回転するたびに、ウェハＷの中心部を含む複数の領域での膜厚データを取得する。
【００１６】
トップリング１５は、その下面に真空吸着によりウェハＷを保持できるように構成されている。トップリング１５および研磨テーブル１０は、矢印で示すように回転し、この状態でトップリング１５は、ウェハＷを研磨パッド１２の研磨面１２ａに押し付ける。スラリー供給機構３０からは研磨液が研磨パッド１２上に供給され、ウェハＷは、研磨液の存在下で研磨パッド１０との摺接により研磨される。ウェハＷの研磨中、センサヘッド４０は研磨テーブル１０と共に回転し、矢印Ａに示すようにウェハＷの表面を横切りながら膜厚データを取得する。そして、膜厚が所定の目標値に達したときに、ウェハＷの研磨が終了される。
【００１７】
スラリー供給機構３０に隣接して水供給ノズル３１が設けられている。この水供給ノズル３１からは水（好ましくは純水）が研磨パッド１２上に供給される。センサヘッド４０は処理部１８に接続されており、センサヘッド４０によって取得された膜厚データは処理部１８に送られる。処理部１８は、膜厚データからウェハＷの研磨の進行を監視し、さらにはウェハの研磨終点を検出する。
【００１８】
次に、ウェハの膜厚に基づいてウェハの研磨終点を決定する一実施形態について図３のフローチャートを参照して説明する。
ステップ１では、水供給ノズル３１から研磨パッド１２に研磨液（スラリー）を供給しながら、ウェハを所定の研磨時間だけ研磨する。この所定の研磨時間は、目標膜厚に達しない範囲で長く設定することが好ましい。
【００１９】
ステップ２では、スラリーに代えて水（好ましくは純水）を水供給ノズル３１から研磨パッド１２に供給しながら、ウェハを所定のアイドリング時間だけ水研磨する。この水研磨は、スラリーが使用されないのでウェハの研磨が実質的に進行しないアイドリング工程である。アイドリング工程中、センサヘッド４０は膜厚データを取得する。この膜厚データは膜の厚さに従って変化するデータであり、例としては、膜厚そのものを示す数値データ、または膜厚の相対的な値を示す数値データなどである。アイドリング工程では、センサヘッド４０とウェハとの間にスラリーが存在しないので、センサヘッド４０はより正確な膜厚データを取得することができる。さらに、アイドリング工程中は膜厚が変化しないので、センサヘッド４０は正確な膜厚データを取得することができる。
【００２０】
センサヘッド４０が膜厚データを取得する計測時間は、センサヘッド４０によってウェハ面上に描かれる複数の軌跡がウェハの周方向において均等に分布する時間である。この計測時間はウェハ面上の複数の軌跡が均等に分布するのに要する時間よりも長くてもよい。計測時間は、研磨テーブル１０の回転速度とトップリング１５の回転速度（すなわちウェハの回転速度）との比により決定される。例えば、研磨テーブル１０の回転速度が６０ｍｉｎ−１、トップリング１５の回転速度が６１ｍｉｎ−１であれば、センサヘッド４０はウェハ面上に図２（ａ）に示すような軌跡を描く。これらの軌跡がウェハの周方向において均等に分布するために必要な時間は、６０秒である。したがって、アイドリング工程は少なくとも６０秒間行われ、その間にセンサヘッド４０により膜厚データが取得される。
【００２１】
しかしながら、計測時間が６０秒かかると、研磨工程全体が長くなってしまう。そこで、計測時間を短くするために、アイドリング工程中では研磨テーブル１０の回転速度とトップリング１５の回転速度との比を変更することが好ましい。例えば、研磨テーブル１０の回転速度が６０ｍｉｎ−１、トップリング１５の回転速度が４０ｍｉｎ−１であれば、センサヘッド４０はウェハ面上に図２（ｂ）に示すような軌跡を描く。この例では、センサヘッド４０の軌跡がウェハの周方向において均等に分布するために必要な時間は、３秒である。
【００２２】
一般に、ウェハの研磨中に研磨テーブル１０の回転速度とトップリング１５の回転速度との比を大きく変更すると、ウェハの研磨プロファイルに影響を与えてしまうことになり、好ましくない。本発明では、アイドリング工程では研磨が実質的に進行しないので、研磨テーブル１０の回転速度とトップリング１５の回転速度との比を変更しても、研磨プロファイルに影響しない。よって、アイドリング行程中は、研磨テーブル１０とトップリング１５との回転速度比を大きく変えることができる。
【００２３】
水研磨の初期段階では、スラリーがウェハとセンサヘッド４０との間に残って研磨が進行することがある。したがって、アイドリング時間は上記計測時間に所定の追加時間を加算した時間とし、アイドリング工程の初期段階では膜厚データを取得しないことが好ましい。また、アイドリング工程の初期段階においては、一旦ウェハを吸着させてトップリング１５を上昇させ、研磨テーブル１０を例えば１５０ｍｉｎ−１など大きめの回転速度で回転させ、遠心力の効果によりスラリーが研磨テーブル１０から早く取り除かれるようにすることが好ましい。
【００２４】
アイドリング工程はウェハの研磨が実質的に進行しない工程であり、より具体的には、アイドリング工程の間に、研磨の進行が膜厚または研磨量の要求精度（許容誤差）の１／５以下であることが好ましい。例えば、要求精度が±５ｎｍであれば、アイドリング工程中の研磨量は１ｎｍ以下である。アイドリング工程は、ウェハの研磨が実質的に進行しないのであれば、水研磨工程に限られない。例えば、アイドリング工程は、トップリング１５で真空吸引等によりウェハを吸引して、研磨パッド１２からウェハに与えられる荷重を実質的に０とする工程であってもよい。
【００２５】
ステップ３では、処理部１８は、アイドリング工程中に取得された膜厚データからその平均データである膜厚平均データを算出し、さらに膜厚平均データからウェハ全面の平均膜厚に対応する膜厚指標値を決定する。この膜厚指標値は、膜厚を示す指標値であり、したがって、膜の研磨の進行を表す研磨指標値である。例えば、膜厚を直接表す値、膜厚を間接的に表す値、または膜厚データと基準データとの比較から決定される推定膜厚値などが膜厚指標値とされる。この膜厚指標値は、アイドリング工程中に取得された膜厚データの平均データから求められた値であるので、ウェハの周方向の膜厚のばらつきが平均化された値といえる。したがって、処理部１８は、ウェハ全面での膜厚を反映した膜厚指標値を取得することができる。
【００２６】
ステップ４では、処理部１８は、ステップ３で求められた膜厚指標値と所定の目標値とを比較する。処理部１８は、膜厚指標値が低下して所定の目標値に達した時点を研磨終点と判断し、ウェハの研磨を終了させる。所定の目標値は、所定の目標膜厚（指標値）に所定のしきい値を加えた値である。所定のしきい値は０であってもよい。
【００２７】
膜厚指標値と所定の目標値とを比較した結果、膜厚指標値が所定の目標値よりも大きい場合は、処理部１８は、膜厚指標値と目標値との差分と、過去の研磨データから得られた研磨レート（膜の除去レート）とから、目標値に到達するために必要な追加研磨時間を算出する（ステップ５）。そして、ステップ６で、ウェハをスラリーを用いて追加研磨時間だけ研磨する。現在のウェハの研磨中に２回またはそれ以上アイドリング工程が行われている場合には、処理部１８はそれらアイドリング工程中にそれぞれ取得された膜厚指標値とアイドリング工程間の研磨時間とから最新の研磨レートを算出する。最新の研磨レートを用いることにより、より正確な追加研磨時間を算出することができる。ステップ６の研磨後、処理フローはステップ２の水研磨工程に戻る。
【００２８】
図３に示すフローチャートは、膜厚に基づいて研磨終点を決定する方法を示すが、研磨によって除去された膜の量（以下、研磨量という）に基づいて研磨終点を決定することもできる。図４は、研磨量に基づいて研磨終点を決定する方法示すフローチャートである。特に説明しない処理は、図３に示す各ステップでの処理と同様であるので、その重複する説明を省略する。
【００２９】
ステップ１では、水供給ノズル３１から水（好ましくは純水）を研磨パッド１２に供給しながら、ウェハを所定のアイドリング時間だけ水研磨する。この水研磨は、ウェハの研磨が実質的に進行しないアイドリング工程である。アイドリング工程中、センサヘッド４０は初期膜厚データを取得する。処理部１８は、初期膜厚データの平均データである初期膜厚平均データを算出する。
【００３０】
ステップ２では、研磨パッド１２に研磨液（スラリー）を供給しながら、ウェハを所定の研磨時間だけ研磨する。ステップ３では、再度水研磨（アイドリング工程）を行い、その間センサヘッド４０は研磨されたウェハについての膜厚データを取得する。ステップ４では、処理部１８は、ステップ３で得られた膜厚データの平均データである現在の膜厚平均データを算出する。さらに、処理部１８は、初期膜厚平均データと現在の膜厚平均データとの差分の絶対値を算出する。この差分の絶対値は、２つのアイドリング工程の間に行われたステップ２のスラリー研磨によって除去された膜の量、すなわち研磨量を表している。アイドリング工程が３回以上行われる場合には、直近の２つのアイドリング工程間で得られた差分の絶対値を累積することにより、研磨量を更新することができる。このようにして求められる研磨量は、膜の研磨の進行を表す研磨指標値である。
【００３１】
ステップ５では、処理部１８は、ステップ４で求められた研磨量と所定の目標値とを比較する。処理部１８は、研磨量が増加して所定の目標値に達した時点を研磨終点と判断し、ウェハの研磨を終了させる。所定の目標値は、所定の目標研磨量から所定のしきい値を引いた値である。所定のしきい値は０であってもよい。
【００３２】
研磨量と所定の目標値とを比較した結果、研磨量が所定の目標値よりも小さい場合は、処理部１８は、研磨量と目標値との差分と研磨レートとから、目標値に到達するために必要な追加研磨時間を算出する（ステップ６）。研磨レートは、研磨量と対応する研磨時間とから算出することができる。そして、ステップ７で、ウェハをスラリーを用いて追加研磨時間だけ研磨する。ステップ７の研磨後、処理フローはステップ３に戻る。
【００３３】
次に、本発明の研磨装置の具体例について詳細に説明する。図５は、センサヘッド４０として光学式センサを使用した研磨装置の例を示す図である。図５に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１０と、トップリングシャフト１６に支持されたトップリング１５と、各種データに基づいてウェハＷの研磨終点を検出する処理部１８とを備えている。トップリング１５は、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、ベルト等の連結手段１７を介してトップリングモータ２０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１５が矢印で示す方向に回転するようになっている。
【００３４】
研磨テーブル１０は、テーブル軸１０ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ２５に連結されており、このテーブルモータ２５により研磨テーブル１０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１０の上面には研磨パッド１２が貼付されており、研磨パッド１２の上面１２ａがウェハＷを研磨する研磨面を構成している。
【００３５】
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。下面にウェハＷを保持したトップリング１５は、トップリングシャフト１６により下降されてウェハＷを研磨パッド１２の上面（研磨面）１２ａに押し付ける。ウェハＷの研磨中は、トップリング１５および研磨テーブル１０をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１０の上方に設けられたスラリー供給ノズル３０から研磨パッド１２上に研磨液（スラリー）を供給する。ウェハＷの表面は、研磨液に含まれる砥粒による機械的作用と研磨液の化学的作用により研磨される。
【００３６】
センサヘッド４０は、ウェハの表面に光を当て、ウェハ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光学式センサである。センサヘッド４０は、研磨テーブル１０に埋設されており、研磨テーブル１０とともに回転する。センサヘッド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、さらに、各波長での反射光の強度を測定する。センサヘッド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器４４とを備えている。
【００３７】
研磨テーブル１０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１２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１２ａ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。
【００３８】
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１５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１０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１５に保持されたウェハＷの中心に対向して配置される。
【００３９】
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１０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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。分光器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処理部１８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データである。処理部１８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。
【００４２】
図６は、光学式センサの原理を説明するための模式図であり、図７はウェハと研磨テーブル１０との位置関係を示す平面図である。図６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１０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。
【００４３】
ウェハＷに照射された光は、媒質（図６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が互いに干渉する。この光の干渉の仕方は、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。分光器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。処理部１８は、分光器４４から得られた反射光の強度データ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。
【００４４】
図８は、処理部１８によって生成されたスペクトルを示す図である。図８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。各波長において反射光の強度（実測強度）を所定の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、これにより上層膜の厚さ情報のみを反映したスペクトルを得ることができる。
【００４５】
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】
2013222856.tif 000003
ここで、λは波長であり、Ｅ（λ）はウェハからの反射光の強度であり、Ｂ（λ）は基準強度であり、Ｄ（λ）はダークレベル（光を遮断した条件下で測定された光の強度）である。
【００４６】
処理部１８は、アイドリング行程中に得られた膜厚データ（すなわち、各波長ごどの光強度データ）から平均データを算出し、この平均データからスペクトルを生成する。さらに、処理部１８は、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。
【００４７】
図９は、処理部１８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９に示すように、処理部１８は、光強度データから生成された現在のスペクトルを複数の基準スペクトルと比較し、最も近い基準スペクトルを決定する。具体的には、現在のスペクトルと各基準スペクトルとの偏差を算出し、偏差が最も小さい基準スペクトルを最も近い基準スペクトルとして特定する。処理部１８は、特定された最も近い基準スペクトルに関連付けられた膜厚を現在の膜厚に決定する。
【００４８】
処理部１８は、図３または図４に示すフローチャートにしたがって研磨終点を決定する。図３に示すフローチャートの場合、推定膜厚値がそのまま膜厚指標値として用いられる。図４に示すフローチャートの場合、初期膜厚データ（初期光強度データ）から上述の方法にしたがって初期膜厚を求め、この初期膜厚から現在の推定膜厚値を引き算することにより研磨量を求めることができる。
【００４９】
図４の例に示す研磨量は、膜厚にしたがって変化するスペクトルの変化量から求めることもできる。図１０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１０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。２つのアイドリング工程中に取得された２つのスペクトルの変化量は、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。この領域の面積は、２つのアイドリング工程間の膜厚データの差分の絶対値に相当する。したがって、上記領域の面積を計算することにより、研磨量を決定することができる。研磨量Ｄは、次の式（２）から求められる。
【数２】
2013222856.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は最新のアイドリング工程で取得された相対反射率であり、Ｒｐは前回のアイドリング工程で取得された相対反射率である。
３つ以上のアイドリング工程が行われる場合は、直近の２つのアイドリング工程間の研磨量を累積することにより研磨量Ｄが更新される。
【００５０】
式（２）のＲ（λ）の代わりに、正規化された相対反射率ＲＮ（λ）を用いることもできる。この正規化された相対反射率ＲＮ（λ）は、相対反射率Ｒ（λ）を所定の波長範囲［λ１，λ２］における相対反射率の平均値で除算することで求められる。このような正規化された相対反射率を用いると、研磨パッド１２の摩耗による光量の変化をキャンセルすることができる。
【００５１】
上述の例では、センサヘッド４０として光学式センサを用いたが、本発明はこの例に限らず、センサヘッド４０に渦電流センサを用いることも可能である。そのような渦電流センサの例としては、特許文献２（特開２００９−９９８４２号公報）に記載されている渦電流センサを用いることができる。
【００５２】
渦電流センサは、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。図１１は、渦電流センサ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から高周波の交流電流Ｉ１を渦電流センサのコイル９０に流すと、コイル９０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。渦電流センサは、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。
【００５３】
図１１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は渦電流センサのコイル９０を含むセンサ側回路の等価抵抗であり、Ｌ１はコイル９０を含むセンサ側回路の自己インダクタンスである。Ｒ２は渦電流損に相当する等価抵抗であり、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。
【００５４】
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）
【００５５】
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）
【００５６】
渦電流センサは、該渦電流センサのコイル９０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。図１２は、研磨時間とともに変化する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１２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）
【００５７】
図１３は、図１２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１３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。
【００５８】
コイル９０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１２の厚さに応じて変化する。この結果、図１４に示すように、使用する研磨パッド１２の厚さ分の距離Ｇ（Ｇ１〜Ｇ３）に応じて、座標Ｘ，Ｙの円弧軌跡が変動する。図１４から分かるように、コイル９０とウェハＷとの間の距離Ｇにかかわらずに、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１４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。
【００５９】
処理部１８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１５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、処理部１８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。
【００６０】
以上説明した研磨装置は１つの研磨テーブルを備えているが、複数の研磨テーブルを備えた研磨装置にも本発明を適用することは可能である。一般に、研磨装置は複数の研磨テーブルがあるため、研磨工程の各ステップを複数の研磨テーブルに振り分けて研磨装置全体のスループットの最適化を図ることができる。例えば、図３の場合にはステップ１を、図４の場合にはステップ１〜２を１つの研磨テーブルで実行し、残りのステップを別の研磨テーブルで実行する。通常、最初に行われるスラリー研磨の時間は、後続のステップで行われる水研磨や追加研磨の時間に比べて長いと想定されるため、上述のように研磨工程を２つの研磨テーブルに振り分けることで、研磨テーブル間の処理時間を均等化して良好なスループットを実現することができる。
【００６１】
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】
【００６２】
１０    研磨テーブル
１２    研磨パッド
１５    トップリング
１６    トップリングシャフト
１７    連結手段
１８    処理部
２０    トップリングモータ
２５    テーブルモータ
３０    スラリー供給ノズル
３１    水供給ノズル
４０    光学式センサ
４２    投光部
４３    受光部（光ファイバー）
４４    分光器
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
Ｗ      ウェハ
【図１】
2013222856.tif 000005
【図２】
2013222856.tif 000006
【図３】
2013222856.tif 000007
【図４】
2013222856.tif 000008
【図５】
2013222856.tif 000009
【図６】
2013222856.tif 000010
【図７】
2013222856.tif 000011
【図８】
2013222856.tif 000012
【図９】
2013222856.tif 000013
【図１０】
2013222856.tif 000014
【図１１】
2013222856.tif 000015
【図１２】
2013222856.tif 000016
【図１３】
2013222856.tif 000017
【図１４】
2013222856.tif 000018
【図１５】
2013222856.tif 000019
【図１６】
2013222856.tif 000020
【図１７】
2013222856.tif 000021
【図１８】
2013222856.tif 000022