(57)【要約】【課題】研磨パッドの表面温度を所望の目標温度に保つことができる装置を提供する。【解決手段】研磨パッド３の表面温度を調整するための装置は、研磨パッド３の表面に接触可能であり、かつ加熱流路６１および冷却流路６２が内部に形成されたパッド接触部材１１と、加熱流路６１に接続された加熱液供給管３２と、冷却流路６２に接続された冷却液供給管５１と、加熱液供給管３２に取り付けられた第１流量制御バルブ４２と、冷却液供給管５１に取り付けられた第２流量制御バルブ５６と、研磨パッド３の表面温度を測定するパッド温度測定器３９と、研磨パッド３の表面温度に基づいて、第１流量制御バルブ４２および第２流量制御バルブ５６を操作するバルブ制御部４０とを備える。【選択図】図１
2017148933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨パッドの表面温度を調整するための装置であって、
前記研磨パッドの表面に接触可能であり、かつ加熱流路および冷却流路が内部に形成されたパッド接触部材と、
前記加熱流路に接続された加熱液供給管と、
前記冷却流路に接続された冷却液供給管と、
前記加熱液供給管に取り付けられた第１流量制御バルブと、
前記冷却液供給管に取り付けられた第２流量制御バルブと、
前記研磨パッドの表面温度を測定するパッド温度測定器と、
前記研磨パッドの表面温度に基づいて、前記第１流量制御バルブおよび前記第２流量制御バルブを操作するバルブ制御部とを備えたことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記加熱流路および前記冷却流路は、互いに隣接して延びており、かつ螺旋状に延びていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記加熱流路および前記冷却流路は、前記研磨パッドの周方向に沿って並んでいることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記加熱流路および前記冷却流路は、前記研磨パッドの半径方向に関して対称であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記バルブ制御部は、目標温度と前記研磨パッドの表面温度との差を無くすために必要な前記第１流量制御バルブおよび前記第２流量制御バルブの操作量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装置。
【請求項６】
前記第１流量制御バルブおよび前記第２流量制御バルブのそれぞれの操作量を０％から１００％までの数値で表したときに、前記バルブ制御部は、前記第１流量制御バルブおよび前記第２流量制御バルブのうち一方の操作量を１００％から引き算することで、前記第１流量制御バルブおよび前記第２流量制御バルブのうち他方の操作量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装置。
【請求項７】
研磨パッドの表面温度を調整するための方法であって、
前記研磨パッドの表面にパッド接触部材を接触させながら、前記パッド接触部材内に形成された加熱流路および冷却流路に加熱液および冷却液をそれぞれ同時に流し、
前記研磨パッドの表面温度に基づいて、加熱液および冷却液の流量を独立に制御することを特徴とする方法。
【請求項８】
加熱液の流量と冷却液の流量の総和は一定に維持されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記加熱流路および前記冷却流路は、互いに隣接して延びており、かつ螺旋状に延びていることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェーハなどの基板の研磨に使用される研磨パッドの表面温度を調整するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＰ（Chemical  Mechanical  Polishing）装置は、半導体デバイスの製造において、ウェーハの表面を研磨する工程に使用される。ＣＭＰ装置は、ウェーハをトップリングで保持してウェーハを回転させ、さらに回転する研磨テーブル上の研磨パッドにウェーハを押し付けてウェーハの表面を研磨する。研磨中、研磨パッドには研磨液（スラリー）が供給され、ウェーハの表面は、研磨液の化学的作用と研磨液に含まれる砥粒の機械的作用により平坦化される。
【０００３】
ウェーハの研磨レートは、ウェーハの研磨パッドに対する研磨荷重のみならず、研磨パッドの表面温度にも依存する。これは、ウェーハに対する研磨液の化学的作用が温度に依存するからである。したがって、半導体デバイスの製造においては、ウェーハの研磨レートを上げて更に一定に保つために、ウェーハ研磨中の研磨パッドの表面温度を最適な値に保つことが重要とされる。
【０００４】
そこで、研磨パッドの表面温度を調整するためにパッド温度調整装置が従来から使用されている。図２５は、従来のパッド温度調整装置を示す模式図である。図２５に示すように、パッド温度調整装置は、研磨パッド１０３の表面に接触するパッド接触部材１１１と、パッド接触部材１１１に接続された流体供給管１１２を備えている。流体供給管１１２は、温水供給源に接続された温水供給管１１５と、冷水供給源に接続された冷水供給管１１６に分岐しており、温水供給管１１５および冷水供給管１１６には、温水バルブ１２０および冷水バルブ１２１がそれぞれ取り付けられている。温水バルブ１２０または冷水バルブ１２１のいずれかを閉じることにより、温水または冷水のいずれかが選択的にパッド接触部材１１１に供給されるようになっている。
【０００５】
図２６は、温水バルブ１２０および冷水バルブ１２１の動作と、研磨パッド１０３の表面温度の変化を示す図である。温水バルブ１２０および冷水バルブ１２１は、研磨パッド１０３の表面温度に基づいて操作される。すなわち、研磨パッド１０３の表面温度が、予め設定された上限値を超えると、温水バルブ１２０が閉じられ、かつ冷水バルブ１２１が開かれる。同様に、研磨パッド１０３の表面温度が、予め設定された下限値を下回ると、冷水バルブ１２１が閉じられ、かつ温水バルブ１２０が開かれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−０４４２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、パッド接触部材１１１に供給される液体が温水から冷水に切り替わっても、パッド接触部材１１１および流体供給管１１２に温水が残っているので、パッド接触部材１１１が冷えるまでにしばらく時間がかかる。同様に、パッド接触部材１１１に供給される液体が冷水から温水に切り替わっても、パッド接触部材１１１が暖められるまでにしばらく時間がかかる。このため、研磨パッド１０３の表面温度の変化に大きなオーバーシュートおよびアンダーシュートが生じる。結果として、研磨パッド１０３の表面温度が大きく変動する。
【０００８】
図２７は、研磨パッド１０３の目標温度が６０℃に設定されたときの、研磨パッド１０３の表面温度の変化を示すグラフである。図２７に示すように、研磨パッド１０３の表面温度は、約２０℃の幅で大きく変化している。図２８は、ＰＩＤ制御のパラメータを調整した後の、研磨パッド１０３の表面温度の変化を示すグラフである。この場合でも、研磨パッド１０３の表面温度は、ある程度の幅で変化している。さらに、図２９は、ＰＩＤ制御のパラメータを調整した後に、目標温度を６０℃から５０℃に変更した場合の、研磨パッド１０３の表面温度の変化を示すグラフである。図２９に示すように、研磨パッド１０３の表面温度は、再び大きく変化している。
【０００９】
このように、従来のパッド温度調整装置では、ウェーハの研磨中に、研磨パッド１０３の表面温度が大きく変動し、所望の研磨レート（除去レートともいう）が得られないという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、研磨パッドの表面温度を所望の目標温度に保つことができる装置および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、研磨パッドの表面温度を調整するための装置であって、前記研磨パッドの表面に接触可能であり、かつ加熱流路および冷却流路が内部に形成されたパッド接触部材と、前記加熱流路に接続された加熱液供給管と、前記冷却流路に接続された冷却液供給管と、前記加熱液供給管に取り付けられた第１流量制御バルブと、前記冷却液供給管に取り付けられた第２流量制御バルブと、前記研磨パッドの表面温度を測定するパッド温度測定器と、前記研磨パッドの表面温度に基づいて、前記第１流量制御バルブおよび前記第２流量制御バルブを操作するバルブ制御部とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の好ましい態様は、前記加熱流路および前記冷却流路は、互いに隣接して延びており、かつ螺旋状に延びていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記加熱流路および前記冷却流路は、前記研磨パッドの周方向に沿って並んでいることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記加熱流路および前記冷却流路は、前記研磨パッドの半径方向に関して対称であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい態様は、前記バルブ制御部は、目標温度と前記研磨パッドの表面温度との差を無くすために必要な前記第１流量制御バルブおよび前記第２流量制御バルブの操作量を決定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１流量制御バルブおよび前記第２流量制御バルブのそれぞれの操作量を０％から１００％までの数値で表したときに、前記バルブ制御部は、前記第１流量制御バルブおよび前記第２流量制御バルブのうち一方の操作量を１００％から引き算することで、前記第１流量制御バルブおよび前記第２流量制御バルブのうち他方の操作量を決定することを特徴とする。
【００１４】
本発明の一態様は、研磨パッドの表面温度を調整するための方法であって、前記研磨パッドの表面にパッド接触部材を接触させながら、前記パッド接触部材内に形成された加熱流路および冷却流路に加熱液および冷却液をそれぞれ同時に流し、前記研磨パッドの表面温度に基づいて、加熱液および冷却液の流量を独立に制御することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、加熱液の流量と冷却液の流量の総和は一定に維持されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記加熱流路および前記冷却流路は、互いに隣接して延びており、かつ螺旋状に延びていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、パッド接触部材の加熱流路には加熱液のみが流れ、冷却流路には冷却液のみが流れる。加熱液および冷却液のそれぞれの流量は、研磨パッドの表面温度に基づいて制御される。このように、温水と冷水との切り替えではなく、加熱液および冷却液をそれぞれの専用の供給管で供給し、かつ流量をコントロールすることで、アナログ的な温度制御が可能となる。したがって、研磨パッドの表面温度を目標温度に安定して維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】研磨装置を示す模式図である。
【図２】パッド接触部材を示す水平断面図である。
【図３】研磨パッド上のパッド接触部材とトップリングとの位置関係を示す平面図である。
【図４】第１流量制御バルブおよび第２流量制御バルブの操作量と、流量との関係を示すグラフである。
【図５】バルブ制御部の動作を説明する図である。
【図６】パッド表面温度の変化と、各バルブの状態を示すグラフである。
【図７】パッド接触部材の他の実施形態を示す水平断面図である。
【図８】図７に示すパッド接触部材とトップリングとの位置関係を示す平面図である。
【図９】パッド接触部材のさらに他の実施形態を示す水平断面図である。
【図１０】図９に示すパッド接触部材とトップリングとの位置関係を示す平面図である。
【図１１】パッド接触部材のさらに他の実施形態を示す水平断面図である。
【図１２】図１１に示すパッド接触部材とトップリングとの位置関係を示す平面図である。
【図１３】パッド接触部材のさらに他の実施形態を示す水平断面図である。
【図１４】図１３に示すパッド接触部材とトップリングとの位置関係を示す平面図である。
【図１５】図２に示す渦巻き状の加熱流路および冷却流路を有するパッド接触部材を研磨パッドに接触させたときのパッド表面温度の変化を示す実験データである。
【図１６】図１１に示す半円状に延びる加熱流路および冷却流路を有するパッド接触部材を研磨パッドに接触させたときのパッド表面温度の変化を示す実験データである。
【図１７】図１３に示すジグザグ状の加熱流路および冷却流路を有するパッド接触部材を研磨パッドに接触させたときのパッド表面温度の変化を示す実験データである。
【図１８】図２に示す渦巻き状の加熱流路および冷却流路を有するパッド接触部材を研磨パッドに接触させたときのパッド表面温度の分布を示すグラフである。
【図１９】図１１に示す半円状に延びる加熱流路および冷却流路を有するパッド接触部材を研磨パッドに接触させたときのパッド表面温度の分布を示すグラフである。
【図２０】図１３に示すジグザグ状の加熱流路および冷却流路を有するパッド接触部材を研磨パッドに接触させたときのパッド表面温度の分布を示すグラフである。
【図２１】パッド温度調整装置を用いてウェーハを研磨する一実施形態を説明する図である。
【図２２】パッド温度調整装置の他の実施形態を示す図である。
【図２３】パッド温度調整装置のさらに他の実施形態を示す図である。
【図２４】パッド温度調整装置のさらに他の実施形態を示す図である。
【図２５】従来のパッド温度調整装置を示す模式図である。
【図２６】温水バルブおよび冷水バルブの動作と、研磨パッドの表面温度の変化を示す図である。
【図２７】研磨パッドの目標温度が６０℃に設定されたときの、研磨パッドの表面温度の変化を示すグラフである。
【図２８】ＰＩＤ制御のパラメータを調整した後の、研磨パッドの表面温度の変化を示すグラフである。
【図２９】ＰＩＤ制御のパラメータを調整した後に、目標温度を６０℃から５０℃に変更した場合の、研磨パッドの表面温度の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、研磨装置を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、基板の一例であるウェーハＷを保持して回転させるトップリング１と、研磨パッド３を支持する研磨テーブル２と、研磨パッド３の表面に研磨液（例えばスラリー）を供給する研磨液供給ノズル４と、研磨パッド３の表面温度を調整するパッド温度調整装置５とを備えている。研磨パッド３の表面（上面）は、ウェーハＷを研磨する研磨面を構成する。
【００１８】
トップリング１は鉛直方向に移動可能であり、かつその軸心を中心として矢印で示す方向に回転可能となっている。ウェーハＷは、トップリング１の下面に真空吸着などによって保持される。研磨テーブル２にはモータ（図示せず）が連結されており、矢印で示す方向に回転可能となっている。図１に示すように、トップリング１および研磨テーブル２は、同じ方向に回転する。研磨パッド３は、研磨テーブル２の上面に貼り付けられている。
【００１９】
ウェーハＷの研磨は次のようにして行われる。研磨されるウェーハＷは、トップリング１によって保持され、さらにトップリング１によって回転される。一方、研磨パッド３は、研磨テーブル２とともに回転される。この状態で、研磨パッド３の表面には研磨液供給ノズル４から研磨液が供給され、さらにウェーハＷの表面は、トップリング１によって研磨パッド３の表面（すなわち研磨面）に対して押し付けられる。ウェーハＷの表面は、研磨液の存在下での研磨パッド３との摺接により研磨される。ウェーハＷの表面は、研磨液の化学的作用と研磨液に含まれる砥粒の機械的作用により平坦化される。
【００２０】
パッド温度調整装置５は、研磨パッド３の表面に接触可能なパッド接触部材１１と、温度調整された加熱液および冷却液をパッド接触部材１１に供給する液体供給システム３０とを備えている。この液体供給システム３０は、温度調整された加熱液を貯留する加熱液供給源としての加熱液供給タンク３１と、加熱液供給タンク３１とパッド接触部材１１とを連結する加熱液供給管３２および加熱液戻り管３３とを備えている。加熱液供給管３２および加熱液戻り管３３の一方の端部は加熱液供給タンク３１に接続され、他方の端部はパッド接触部材１１に接続されている。
【００２１】
温度調整された加熱液は、加熱液供給タンク３１から加熱液供給管３２を通じてパッド接触部材１１に供給され、パッド接触部材１１内を流れ、そしてパッド接触部材１１から加熱液戻り管３３を通じて加熱液供給タンク３１に戻される。このように、加熱液は、加熱液供給タンク３１とパッド接触部材１１との間を循環する。加熱液供給タンク３１は、ヒータ（図示せず）を有しており、加熱液はヒータにより所定の温度に加熱される。
【００２２】
加熱液供給管３２には、第１開閉バルブ４１および第１流量制御バルブ４２が取り付けられている。第１流量制御バルブ４２は、パッド接触部材１１と第１開閉バルブ４１との間に配置されている。第１開閉バルブ４１は、流量調整機能を有しないバルブであるのに対し、第１流量制御バルブ４２は、流量調整機能を有するバルブである。
【００２３】
液体供給システム３０は、パッド接触部材１１に接続された冷却液供給管５１および冷却液排出管５２をさらに備えている。冷却液供給管５１は、研磨装置が設置される工場に設けられている冷却液供給源（例えば、冷水供給源）に接続されている。冷却液は、冷却液供給管５１を通じてパッド接触部材１１に供給され、パッド接触部材１１内を流れ、そしてパッド接触部材１１から冷却液排出管５２を通じて排出される。一実施形態では、パッド接触部材１１内を流れた冷却液を、冷却液排出管５２を通じて冷却液供給源に戻してもよい。
【００２４】
冷却液供給管５１には、第２開閉バルブ５５および第２流量制御バルブ５６が取り付けられている。第２流量制御バルブ５６は、パッド接触部材１１と第２開閉バルブ５５との間に配置されている。第２開閉バルブ５５は、流量調整機能を有しないバルブであるのに対し、第２流量制御バルブ５６は、流量調整機能を有するバルブである。
【００２５】
パッド温度調整装置５は、研磨パッド３の表面温度（以下、パッド表面温度ということがある）を測定するパッド温度測定器３９と、パッド温度測定器３９により測定されたパッド表面温度に基づいて第１流量制御バルブ４２および第２流量制御バルブ５６を操作するバルブ制御部４０とをさらに備えている。第１開閉バルブ４１および第２開閉バルブ５５は、通常は開かれている。パッド温度測定器３９として、非接触で研磨パッド３の表面温度を測定することができる放射温度計を使用することができる。
【００２６】
パッド温度測定器３９は、非接触で研磨パッド３の表面温度を測定し、その測定値をバルブ制御部４０に送る。バルブ制御部４０は、パッド表面温度が、予め設定された目標温度に維持されるように、測定されたパッド表面温度に基づいて、第１流量制御バルブ４２および第２流量制御バルブ５６を操作することで、加熱液および冷却液の流量を制御する。第１流量制御バルブ４２および第２流量制御バルブ５６は、バルブ制御部４０からの制御信号に従って動作し、パッド接触部材１１に供給される加熱液の流量および冷却液の流量を調整する。パッド接触部材１１を流れる加熱液および冷却液と研磨パッド３との間で熱交換が行われ、これによりパッド表面温度が変化する。
【００２７】
このようなフィードバック制御により、研磨パッド３の表面温度（パッド表面温度）は、所定の目標温度に維持される。バルブ制御部４０としては、ＰＩＤコントローラを使用することができる。研磨パッド３の目標温度は、ウェーハＷの種類または研磨プロセスに応じて決定され、決定された目標温度は、バルブ制御部４０に予め入力される。
【００２８】
パッド表面温度を所定の目標温度に維持するために、ウェーハＷの研磨中、パッド接触部材１１は、研磨パッド３の表面（すなわち研磨面）に接触する。本明細書において、パッド接触部材１１が研磨パッド３の表面に接触する態様には、パッド接触部材１１が研磨パッド３の表面に直接接触する態様のみならず、パッド接触部材１１と研磨パッド３の表面との間に研磨液（スラリー）が存在した状態でパッド接触部材１１が研磨パッド３の表面に接触する態様も含まれる。いずれの態様においても、パッド接触部材１１を流れる加熱液および冷却液と研磨パッド３との間で熱交換が行われ、これによりパッド表面温度が制御される。
【００２９】
パッド接触部材１１に供給される加熱液としては、温水が使用される。温水は、加熱液供給タンク３１のヒータにより、例えば約８０℃に加熱される。より速やかに研磨パッド３の表面温度を上昇させる場合には、シリコーンオイルを加熱液として使用してもよい。シリコーンオイルを加熱液として使用する場合には、シリコーンオイルは加熱液供給タンク３１のヒータにより１００℃以上（例えば、約１２０℃）に加熱される。パッド接触部材１１に供給される冷却液としては、冷水またはシリコーンオイルが使用される。シリコーンオイルを冷却液として使用する場合には、冷却液供給源としてチラーを冷却液供給管５１に接続し、シリコーンオイルを０℃以下に冷却することで、研磨パッド３を速やかに冷却することができる。冷水としては、純水を使用することができる。純水を冷却して冷水を生成するために、冷却液供給源としてチラーを使用してもよい。この場合は、パッド接触部材１１内を流れた冷水を、冷却液排出管５２を通じてチラーに戻してもよい。
【００３０】
加熱液供給管３２および冷却液供給管５１は、完全に独立した配管である。したがって、加熱液および冷却液は、混合されることなく、同時にパッド接触部材１１に供給される。加熱液戻り管３３および冷却液排出管５２も、完全に独立した配管である。したがって、加熱液は、冷却液と混合されることなく加熱液供給タンク３１に戻され、冷却液は、加熱液と混合されることなく排出されるか、または冷却液供給源に戻される。
【００３１】
次に、パッド接触部材１１について、図２を参照して説明する。図２は、パッド接触部材１１を示す水平断面図である。図２に示すように、パッド接触部材１１は、その内部に形成された加熱流路６１および冷却流路６２を有している。加熱流路６１および冷却流路６２は、互いに隣接して（互いに並んで）延びており、かつ螺旋状に延びている。本実施形態では、加熱流路６１は、冷却流路６２よりも短い。
【００３２】
加熱液供給管３２は、加熱流路６１の入口６１ａに接続されており、加熱液戻り管３３は、加熱流路６１の出口６１ｂに接続されている。冷却液供給管５１は、冷却流路６２の入口６２ａに接続されており、冷却液排出管５２は、冷却流路６２の出口６２ｂに接続されている。加熱流路６１および冷却流路６２の入口６１ａ，６２ａは、パッド接触部材１１の周縁部に位置しており、加熱流路６１および冷却流路６２の出口６１ｂ，６２ｂは、パッド接触部材１１の中心部に位置している。したがって、加熱液および冷却液は、パッド接触部材１１の周縁部から中心部に向かって螺旋状に流れる。加熱流路６１および冷却流路６２は、完全に分離しており、パッド接触部材１１内で加熱液および冷却液が混合されることはない。
【００３３】
図３は、研磨パッド３上のパッド接触部材１１とトップリング１との位置関係を示す平面図である。パッド接触部材１１は、上から見たときに円形であり、パッド接触部材１１の直径はトップリング１の直径よりも小さい。研磨パッド３の回転中心からパッド接触部材１１の中心までの距離は、研磨パッド３の回転中心からトップリング１の中心までの距離と同じである。加熱流路６１および冷却流路６２は、互いに隣接しているので、加熱流路６１および冷却流路６２は、研磨パッド３の径方向のみならず、研磨パッド３の周方向に沿って並んでいる。したがって、研磨テーブル２および研磨パッド３が回転している間、パッド接触部材１１に接触する研磨パッド３は、加熱液および冷却液の両方と熱交換を行う。
【００３４】
バルブ制御部４０は、予め設定された目標温度と、測定された研磨パッド３の表面温度との差を無くすために必要な第１流量制御バルブ４２の操作量および第２流量制御バルブ５６の操作量を決定するように構成されている。第１流量制御バルブ４２の操作量および第２流量制御バルブ５６の操作量は、言い換えれば、バルブ開度である。第１流量制御バルブ４２の操作量は、加熱液の流量に比例し、第２流量制御バルブ５６の操作量は、冷却液の流量に比例する。好ましくは、図４に示すように、第１流量制御バルブ４２の操作量は、加熱液の流量に正比例し、第２流量制御バルブ５６の操作量は、冷却液の流量に正比例する。
【００３５】
図５は、バルブ制御部４０の動作を説明する図である。第１流量制御バルブ４２および第２流量制御バルブ５６のそれぞれの操作量を０％から１００％までの数値で表したときに、バルブ制御部４０は、第１流量制御バルブ４２の操作量を１００％から引き算することで、第２流量制御バルブ５６の操作量を決定するように構成されている。一実施形態では、バルブ制御部４０は、第２流量制御バルブ５６の操作量を１００％から引き算することで、第１流量制御バルブ４２の操作量を決定してもよい。
【００３６】
第１流量制御バルブ４２の操作量が１００％であることは、第１流量制御バルブ４２が全開であることを示し、第１流量制御バルブ４２の操作量が０％であることは、第１流量制御バルブ４２が完全に閉じられていることを示している。同様に、第２流量制御バルブ５６の操作量が１００％であることは、第２流量制御バルブ５６が全開であることを示し、第２流量制御バルブ５６の操作量が０％であることは、第２流量制御バルブ５６が完全に閉じられていることを示している。
【００３７】
第１流量制御バルブ４２の操作量が１００％であるときの加熱液の流量は、第２流量制御バルブ５６の操作量が１００％であるときの冷却液の流量と同じである。したがって、第１流量制御バルブ４２を通過する加熱液の流量と、第２流量制御バルブ５６を通過する冷却液の流量との合計は、常に一定である。
【００３８】
図６は、パッド表面温度の変化と、各バルブの状態を示すグラフである。図６に示すように、第１流量制御バルブ４２の操作量と、第２流量制御バルブ５６の操作量との総和が１００％となるように、第１流量制御バルブ４２および第２流量制御バルブ５６が操作される。このように、加熱液の流量と冷却液の流量の総和が一定に保たれるので、パッド表面温度のハンチングが防止される。
【００３９】
本実施形態によれば、パッド接触部材１１の加熱流路６１には加熱液のみが流れ、冷却流路６２には冷却液のみが流れる。加熱液および冷却液のそれぞれの流量は、研磨パッド３の表面温度に基づいて制御される。つまり、第１流量制御バルブ４２および第２流量制御バルブ５６は、研磨パッド３の表面温度と目標温度との差に基づいて動作する。したがって、研磨パッド３の表面温度を目標温度に安定して維持することができる。
【００４０】
図７は、パッド接触部材１１の他の実施形態を示す水平断面図であり、図８は、図７に示すパッド接触部材１１とトップリング１との位置関係を示す平面図である。図２に示す実施形態と同じように、加熱流路６１および冷却流路６２は、互いに隣接して（互いに並んで）延びており、かつ螺旋状に延びている。さらに、加熱流路６１および冷却流路６２は、点対称な形状を有し、互いに同じ長さを有している。
【００４１】
図９は、パッド接触部材１１のさらに他の実施形態を示す水平断面図であり、図１０は、図９に示すパッド接触部材１１とトップリング１との位置関係を示す平面図である。図２に示す実施形態と同じように、加熱流路６１および冷却流路６２は、互いに隣接して（互いに並んで）延びており、かつ螺旋状に延びている。さらに、加熱流路６１および冷却流路６２は、点対称な形状を有し、互いに同じ長さを有している。
【００４２】
図９に示すように、加熱流路６１および冷却流路６２のそれぞれは、曲率が一定の複数の円弧流路６４と、これら円弧流路６４を連結する複数の傾斜流路６５から基本的に構成されている。隣接する２つの円弧流路６４は、各傾斜流路６５によって連結されている。このような構成によれば、加熱流路６１および冷却流路６２のそれぞれの最外周部を、パッド接触部材１１の最外周部に配置することができる。つまり、パッド接触部材１１の下面から構成されるパッド接触面のほぼ全体は、加熱流路６１および冷却流路６２の下方に位置し、加熱液および冷却液は研磨パッド３の表面を速やかに加熱および冷却することができる。
【００４３】
図１１は、パッド接触部材１１のさらに他の実施形態を示す水平断面図であり、図１２は、図１１に示すパッド接触部材１１とトップリング１との位置関係を示す平面図である。加熱流路６１および冷却流路６２は、それぞれ半円領域内に配置された、入り組んだ流路から構成されている。加熱流路６１および冷却流路６２は、研磨パッド３の半径方向を中心として対称である。加熱流路６１および冷却流路６２は、研磨パッド３の周方向に沿って配列されている。したがって、研磨テーブル２が回転しているとき、加熱流路６１および冷却流路６２が配置される２つの半円領域は、研磨パッド３の表面内の同一領域に接触する。
【００４４】
図１３は、パッド接触部材１１のさらに他の実施形態を示す水平断面図であり、図１４は、図１３に示すパッド接触部材１１とトップリング１との位置関係を示す平面図である。加熱流路６１および冷却流路６２は、互いに隣接して（互いに並んで）延びており、かつジグザグに延びている。さらに、加熱流路６１および冷却流路６２は、点対称な形状を有し、互いに同じ長さを有している。本実施形態においても、加熱流路６１および冷却流路６２は、研磨パッド３の周方向に沿って配列されている。
【００４５】
図１５は、図２に示す渦巻き状の加熱流路６１および冷却流路６２を有するパッド接触部材１１を研磨パッド３に接触させたときのパッド表面温度の変化を示す実験データである。この実験では、第１流量制御バルブ４２の操作量と、第２流量制御バルブ５６の操作量との総和が１００％となるように、第１流量制御バルブ４２および第２流量制御バルブ５６を操作した。目標温度は、４０℃、５０℃、６０℃であった。図１５から分かるように、研磨パッド３の表面温度は、大きなハンチングを伴うことなく、各目標温度に維持された。
【００４６】
図１６は、図１１に示す半円状に延びる加熱流路６１および冷却流路６２を有するパッド接触部材１１を研磨パッド３に接触させたときのパッド表面温度の変化を示す実験データである。この実験でも、第１流量制御バルブ４２の操作量と、第２流量制御バルブ５６の操作量との総和が１００％となるように、第１流量制御バルブ４２および第２流量制御バルブ５６を操作した。目標温度は、４０℃、５０℃、６０℃であった。図１６から分かるように、研磨パッド３の表面温度は、大きなハンチングを伴うことなく、各目標温度に維持された。
【００４７】
図１７は、図１３に示すジグザグ状の加熱流路６１および冷却流路６２を有するパッド接触部材１１を研磨パッド３に接触させたときのパッド表面温度の変化を示す実験データである。この実験でも、第１流量制御バルブ４２の操作量と、第２流量制御バルブ５６の操作量との総和が１００％となるように、第１流量制御バルブ４２および第２流量制御バルブ５６を操作した。目標温度は、４０℃、５０℃、６０℃であった。図１７から分かるように、研磨パッド３の表面温度は、大きなハンチングを伴うことなく、各目標温度に維持された。
【００４８】
次に、パッド表面温度の均一性について調べた実験結果を説明する。図１８は、図２に示す渦巻き状の加熱流路６１および冷却流路６２を有するパッド接触部材１１を研磨パッド３に接触させたときのパッド表面温度の分布を示すグラフである。図１９は、図１１に示す半円状に延びる加熱流路６１および冷却流路６２を有するパッド接触部材１１を研磨パッド３に接触させたときのパッド表面温度の分布を示すグラフである。図２０は、図１３に示すジグザグ状の加熱流路６１および冷却流路６２を有するパッド接触部材１１を研磨パッド３に接触させたときのパッド表面温度の分布を示すグラフである。図１８乃至図２０において、パッド表面温度の分布は、研磨パッド３の半径方向の分布を表している。
【００４９】
図１８乃至図２０に示す実験は、全て同じ条件で実施した。研磨パッド３の表面の目標温度は５５℃であった。研磨テーブル２の中心からパッド接触部材１１の中心までの距離は、研磨テーブル２の中心からトップリング１の中心までの距離と同じであった。図１８乃至図２０に示す実験から分かるように、パッド表面温度の均一性に関して、半円状に延びる加熱流路６１および冷却流路６２を有するパッド接触部材１１は、巻き状の加熱流路６１および冷却流路６２を有するパッド接触部材１１よりも良好であり、巻き状の加熱流路６１および冷却流路６２を有するパッド接触部材１１はジグザグ状の加熱流路６１および冷却流路６２を有するパッド接触部材１１よりも良好であった。
【００５０】
次に、パッド温度調整装置５を用いてウェーハＷを研磨する一実施形態について図２１を参照して説明する。以下に説明する実施形態では、ウェーハＷの研磨中に、研磨パッド３の表面の目標温度を第１目標温度から第２目標温度に変化させるが、一実施形態では、ウェーハＷの研磨中に目標温度を一定に維持してもよい。
【００５１】
本実施形態では、ウェーハＷの研磨が開始される前に、パッド接触部材１１を研磨パッド３の表面（研磨面）に接触させ、研磨パッド３の表面を予め加熱する（前加熱工程）。この前加熱工程では、研磨パッド３の表面の目標温度は最大値に設定される。パッド表面温度が第１目標温度を上回ると、研磨パッド３の表面の目標温度は最大値から第１目標温度に切り替えられる。第１目標温度は、最大値よりも低い温度である。さらに、ウェーハＷが研磨パッド３の表面に接触し、ウェーハＷの研磨が開始される（第１研磨工程）。研磨パッド３の表面は、ウェーハＷの研磨が開始される前に予め加熱されているので、高い研磨レートでウェーハＷの研磨を開始することができる。
【００５２】
第１研磨工程が開始されてから所定の時間が経過したとき、またはウェーハＷの膜厚が所定の値に達したとき、ウェーハＷが研磨パッド３に接触したまま、研磨パッド３の表面の目標温度は、第１目標温度から第２目標温度に変えられる。研磨パッド３の表面温度が第２目標温度に維持された状態でウェーハＷが研磨される（第２研磨工程）。
【００５３】
本実施形態によれば、研磨パッド３の表面温度を第２目標温度よりも高い第１目標温度に維持しながら第１研磨工程が行われるので、高い研磨レートでウェーハＷを研磨することができる。第２研磨工程では、低い研磨レートでウェーハＷが研磨されるので、ウェーハＷの膜厚プロファイルを精密に調整することができる。
【００５４】
図２２は、パッド温度調整装置５の他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図２に示すパッド温度調整装置５と同じであるので、その重複する説明を省略する。なお、図２２では、トップリング１および研磨液供給ノズル４の図示は省略されている。図２２に示すように、複数のパッド温度測定器３９が研磨パッド３の半径方向に沿って配列されている。本実施形態では、３つのパッド温度測定器３９が配置されているが、２つでもよく、または４つ以上でもよい。複数のパッド温度測定器３９は、バルブ制御部４０に接続されている。
【００５５】
パッド接触部材１１は、スライド機構７１に保持されている。このスライド機構７１は、パッド接触部材１１の下面（すなわちパッド接触面）が研磨パッド３の表面に接触した状態で、パッド接触部材１１を研磨パッド３の半径方向に移動させることが可能に構成されている。スライド機構７１としては、サーボモータとボールねじ機構との組み合わせ、またはエアシリンダなどから構成される。
【００５６】
バルブ制御部４０は、パッド温度測定器３９によって測定されたパッド表面温度に基づいて、パッド表面温度の分布が目標温度分布となるようにスライド機構７１を操作する。このように、パッド表面温度の分布を制御することにより、研磨パッド３上で研磨されるウェーハＷの膜厚プロファイルを制御することができる。
【００５７】
図２３は、パッド温度調整装置５のさらに他の実施形態を示す図である。研磨パッド３を急速に温めたい、または冷やしたい場合、パッド接触部材１１内に残っている冷却水液または加熱液が急加熱、急冷却の妨げとなる。図２３に示す実施形態は、研磨パッド３を急速に加熱する、および急速に冷却するのに適している。
【００５８】
図２３に示すように、パッド温度調整装置５は、パッド接触部材１１の加熱流路６１および冷却流路６２にそれぞれ接続された第１加熱液供給管３２Ａおよび第２加熱液供給管３２Ｂと、パッド接触部材１１の加熱流路６１および冷却流路６２にそれぞれ接続された第１加熱液戻り管３３Ａおよび第２加熱液戻り管３３Ｂを備えている。第２加熱液供給管３２Ｂは加熱液供給タンク３１に接続されており、第１加熱液供給管３２Ａは第２加熱液供給管３２Ｂから分岐している。第１加熱液戻り管３３Ａおよび第２加熱液戻り管３３Ｂは、加熱液供給タンク３１に接続されている。
【００５９】
冷却液供給管５１は第１加熱液供給管３２Ａに接続されており、冷却液排出管５２は第１加熱液戻り管３３Ａに接続されている。冷却液供給管５１から分岐する第１分岐管８１は第２加熱液供給管３２Ｂに接続され、冷却液排出管５２から分岐する第２分岐管８４は第２加熱液戻り管３３Ｂに接続されている。
【００６０】
第１加熱液供給管３２Ａには、開閉バルブＶ１および流量制御バルブＲ１が設けられており、第２加熱液供給管３２Ｂには、開閉バルブＶ５および流量制御バルブＲ２が設けられている。冷却液供給管５１には開閉バルブＶ２が設けられ、冷却液排出管５２には開閉バルブＶ４が設けられている。第１加熱液戻り管３３Ａには開閉バルブＶ３が設けられ、第２加熱液戻り管３３Ｂには開閉バルブＶ７が設けられている。さらに、第１分岐管８１には開閉バルブＶ６が設けられ、第２分岐管８４には開閉バルブＶ８が設けられている。これら全ての開閉バルブおよび流量制御バルブはバルブ制御部４０に接続されており、バルブ制御部４０によって操作される。
【００６１】
研磨パッド３を急速に加熱する場合は、バルブ制御部４０は、開閉バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７を開き、開閉バルブＶ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８を閉じる。流量制御バルブＲ１，Ｒ２は全開とされる。加熱液は、第１加熱液供給管３２Ａおよび第２加熱液供給管３２Ｂを通ってパッド接触部材１１の加熱流路６１および冷却流路６２の両方に供給され、さらに第１加熱液戻り管３３Ａおよび第２加熱液戻り管３３Ｂを通って加熱液供給タンク３１に戻される。このように、パッド接触部材１１の加熱流路６１および冷却流路６２の両方に加熱液が供給されるので、パッド接触部材１１は研磨パッド３を急速に加熱することができる。
【００６２】
研磨パッド３の表面温度がしきい値を超えると、バルブ制御部４０は、開閉バルブＶ１，Ｖ３を開いたままにしつつ、開閉バブルＶ６，Ｖ８を開き、さらに開閉バルブＶ２，Ｖ４を閉じたままにしつつ、開閉バルブＶ５，Ｖ７を閉じる。流量制御バルブＲ１，Ｒ２は、目標温度と研磨パッド３の表面温度との差に基づいてバルブ制御部４０によってＰＩＤ制御される。
【００６３】
研磨パッド３を急速に冷却する場合は、バルブ制御部４０は、開閉バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７を閉じ、開閉バルブＶ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８を開く。流量制御バルブＲ１，Ｒ２は全開とされる。冷却液は、冷却液供給管５１、第１加熱液供給管３２Ａ、第１分岐管８１、および第２加熱液供給管３２Ｂを通ってパッド接触部材１１の加熱流路６１および冷却流路６２の両方に供給される。さらに、冷却液は、第１加熱液戻り管３３Ａ、第２加熱液戻り管３３Ｂ、第２分岐管８４、および冷却液排出管５２を通って排出される。このように、パッド接触部材１１の加熱流路６１および冷却流路６２の両方に冷却液が供給されるので、パッド接触部材１１は研磨パッド３を急速に冷却することができる。
【００６４】
研磨パッド３の表面温度がしきい値を下回ると、バルブ制御部４０は、開閉バルブＶ５，Ｖ７を閉じたままにしつつ、開閉バルブＶ１，Ｖ３を開き、さらに開閉バルブＶ６，Ｖ８を開いたままにしつつ、開閉バブルＶ２，Ｖ４を閉じる。流量制御バルブＲ１，Ｒ２は、目標温度と研磨パッド３の表面温度との差に基づいてバルブ制御部４０によってＰＩＤ制御される。
【００６５】
パッド温度調整装置５の動作が、上述したパッド急速冷却動作から通常のパッド温度制御動作に切り替わるとき、開閉バルブＶ３を開くタイミングが早過ぎると、冷却液が加熱液供給タンク３１に流れ込み、パッド接触部材１１に供給される加熱液の温度が低下するおそれがある。そこで、図２４に示すように、温度センサまたは熱電対などの温度検出器９０を第１加熱液戻り管３３Ａに取り付けることが好ましい。温度検出器９０は、パッド接触部材１１と開閉バルブＶ３との間に配置される。好ましくは、温度検出器９０は、開閉バルブＶ３の近傍に配置される。温度検出器９０は、バルブ制御部４０に接続されている。
【００６６】
研磨パッド３の急速冷却中、開閉バルブＶ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ８は開かれており、開閉バルブＶ１，Ｖ３，Ｖ５，Ｖ７は閉じられている。パッド表面温度が上述したしきい値を下回ると、開閉バルブＶ１は開かれるが、開閉バルブＶ３は直ちには開かれない。第１加熱液戻り管３３Ａを流れる液体の温度が設定値以上であることを温度検出器９０が検出すると、バルブ制御部４０は、開閉バルブＶ３を開き、開閉バルブＶ４を閉じる。このような操作により、パッド接触部材１１および第１加熱液戻り管３３Ａに残留する冷却液が加熱液供給タンク３１に流れ込むことを防止することができる。
【００６７】
第１加熱液供給管３２Ａおよび第１加熱液戻り管３３Ａを流れる液体を加熱液から冷却液に切り替える場合は、第１加熱液戻り管３３Ａを流れる液体の温度が設定値（上述の設定値と異なる）以下となったことを温度検出器９０が検出するまで、開閉バルブＶ３を開いたままにしておいて加熱液を加熱液供給タンク３１に戻してもよい。このような操作により、加熱液を捨てる量を減らし、加熱液を効率よく循環することができる。
【００６８】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００６９】
１      トップリング
２      研磨テーブル
３      研磨パッド
４      研磨液供給ノズル
５      パッド温度調整装置
１１      パッド接触部材
３０      液体供給システム
３１      加熱液供給タンク
３２      加熱液供給管
３３      加熱液戻り管
３９      パッド温度測定器
４０      バルブ制御部
４１      第１開閉バルブ
４２      第１流量制御バルブ
５１      冷却液供給管
５２      冷却液排出管
５５      第２開閉バルブ
５６      第２流量制御バルブ
６１      加熱流路
６２      冷却流路
６４      円弧流路
６５      傾斜流路
７１      スライド機構
８１      第１分岐管
８２      第１分岐バルブ
８４      第２分岐管
９０      温度検出器
【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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