特許 6092086 研磨装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6092086

(24)【登録日】2017年2月17日

(45)【発行日】2017年3月8日

(54)【発明の名称】研磨装置

(51)【国際特許分類】

   B24B 37/30 20120101AFI20170227BHJP

   B24B 37/10 20120101ALI20170227BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20170227BHJP

【ＦＩ】

   B24B37/30 E

   B24B37/10

   H01L21/304 622K

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-248945(P2013-248945)

(22)【出願日】2013年12月2日

(65)【公開番号】特開2015-104790(P2015-104790A)

(43)【公開日】2015年6月8日

【審査請求日】2016年3月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100091498

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 勇

(74)【代理人】

【識別番号】100118500

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 哲也

(72)【発明者】

【氏名】篠崎 弘行

【審査官】 須中 栄治

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−０８１５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１１８９１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０４６７５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１８６５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１０５２９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０５０４３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０７０４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３１０２５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２４Ｂ３７／００−３７／３４

Ｈ０１Ｌ２１／３０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、
前記研磨パッドに基板を押し付けるための圧力室を有する回転可能なトップリングと、
前記圧力室内の気体の圧力を制御する圧力レギュレータとを備え、
前記圧力レギュレータは、圧力制御バルブと、該圧力制御バルブの下流側の気体の圧力を測定する圧力計と、前記圧力室内の圧力の目標値と該圧力計によって測定された圧力値との差分を最小にするように前記圧力制御バルブの動作を制御するバルブ制御部とを備え、
前記測定された圧力値の振動周波数が所定の周波数範囲内にあるとき、前記バルブ制御部の、前記目標値に対する前記測定された圧力値の比率を示す応答倍率は０ｄＢ以下であり、
前記研磨テーブルの回転速度に対応する周波数は、前記所定の周波数範囲内にあることを特徴とする研磨装置。

【請求項2】

前記バルブ制御部は、第１のバルブ制御部と第２のバルブ制御部から構成され、
前記圧力レギュレータは、前記第１のバルブ制御部と前記第２のバルブ制御部とを切り替える切替器を有しており、
前記測定された圧力値の振動周波数が前記所定の周波数範囲内にあるとき、前記第１のバルブ制御部の前記応答倍率は０ｄＢ以下であり、
前記測定された圧力値の振動周波数が前記所定の周波数範囲内にあるとき、前記第２のバルブ制御部の前記応答倍率は０ｄＢよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。

【請求項3】

前記圧力レギュレータは、前記測定された圧力値の振動周波数が前記所定の周波数範囲内にあるときの前記バルブ制御部の前記応答倍率を０ｄＢ以下に下げる帯域除去フィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。

【請求項4】

前記研磨テーブルと前記トップリングは同じ回転速度で回転す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研磨装置。

【請求項5】

前記バルブ制御部の前記応答倍率を計測する応答倍率計測器をさらに備え、
前記応答倍率計測器は、
前記所定の周波数範囲内にある周波数でテスト目標値を振動させながら該テスト目標値を前記圧力レギュレータに入力し、
前記振動するテスト目標値を前記圧力レギュレータに入力しているときの前記圧力計の出力値を取得し、
前記出力値および前記テスト目標値から前記バルブ制御部の前記応答倍率を算出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】

前記算出された応答倍率が０ｄＢよりも大きい場合に、該応答倍率が０ｄＢ以下となるように前記バルブ制御部の動作を調整するチューニング器をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の研磨装置。

【請求項7】

前記圧力室と前記圧力レギュレータとの間に設けられたガスタンクをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の研磨装置。

【請求項8】

研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、
前記研磨パッドに基板を押し付けるための圧力室を有する回転可能なトップリングと、
前記圧力室内の気体の圧力を制御する圧力レギュレータと、
前記圧力室と前記圧力レギュレータとの間に設けられたガスタンクとを備え、
前記圧力レギュレータは、圧力制御バルブと、該圧力制御バルブの下流側の気体の圧力を測定する圧力計と、前記圧力室内の圧力の目標値と該圧力計によって測定された圧力値との差分を最小にするように前記圧力制御バルブの動作を制御するバルブ制御部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、ウェハなどの基板を研磨パッドに押し付けて該基板の表面を研磨する研磨装置に関し、特に加圧気体が内部に供給された圧力室によって基板を研磨パッドに押し付ける研磨装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置は、研磨パッド上に研磨液を供給しながら、ウェハなどの基板を研磨パッドに押し付けて基板の表面を研磨する装置である。図１に示すように、ＣＭＰ装置は、一般に、研磨パッド１を支持する研磨テーブル２と、ウェハＷを保持するトップリング５を備える。研磨テーブル２およびトップリング５は同じ方向に回転し、研磨テーブル２とともに回転する研磨パッド１上には研磨液（スラリー）が供給される。トップリング５は、ウェハＷを回転させながら、ウェハＷを研磨パッド１に押し付ける。ウェハＷは、研磨液の存在下で研磨パッド１に摺接され、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との組み合わせにより、ウェハＷの表面が研磨される。このようなＣＭＰ装置は、半導体デバイスを製造するための研磨装置として広く知られている。

【0003】

トップリング５は、ウェハＷを研磨パッド１に押し付けるための複数の圧力室１０を備えており、これら圧力室１０は弾性膜（メンブレン）１１から形成されている。それぞれの圧力室１０には複数の圧力レギュレータ１５およびロータリージョイント１４を経由して空気または窒素ガスなどの気体が別々に供給される。圧力室１０内の気体の圧力は、圧力レギュレータ１５によって制御される。このような複数の圧力室１０を備えたトップリング５は、ウェハＷの複数の領域を所望の圧力で研磨パッド１に押し付けることができる。

【0004】

プレストンの法則によれば、ウェハＷの研磨レート（除去レートともいう）は次の式で表される。
ＲＲ∝Ｐ・Ｖ
ただし、ＲＲは研磨レートを表し、Ｐは研磨パッド１に押し付けられるウェハＷの表面圧力を表し、Ｖはウェハ表面と研磨パッド表面との相対速度を表す。

【0005】

ウェハＷを均一に研磨するためには、相対速度Ｖは、ウェハ表面内で均一であることが望ましい。均一な相対速度Ｖを実現するための条件は、研磨テーブル２の回転速度（すなわち研磨パッド１の回転速度）が、トップリング５の回転速度（すなわち、ウェハＷの回転速度）に等しいことである。

【0006】

しかしながら、研磨テーブル２とトップリング５とを同じ回転速度で回転させながらウェハＷを研磨すると、ウェハＷの研磨された面上には、同心円状の模様が現れる。このような同心円状の模様の出現は、ウェハＷの研磨された面が平坦ではないことを示している。このような模様の出現を防止するための解決策としては、研磨テーブル２とトップリング５とをわずかに異なる回転速度で回転させることが知られている。

【0007】

近年、ウェハの膜厚均一性に対する要請が増々高くなるに従い、ウェハ研磨中の圧力室１０内の圧力の安定性は増々重要となっている。特に、圧力室１０内の圧力の変動、および圧力室１０に流れる気体の流量変動は、ウェハの膜厚均一性を阻害する原因と考えられている。

【0008】

研磨パッド１の表面は完全に平坦ではない。加えて、トップリング５が自身の回転に伴って周期的に振動することもある。このため、ウェハの研磨中、研磨テーブル２およびトップリング５の回転に伴って圧力室１０の容積、すなわち圧力室１０内の圧力は微小に変動する。圧力レギュレータ１５は、圧力室１０内の圧力が所定の目標値に維持されるように、圧力室１０内の圧力変動をキャンセルするように動作する。したがって、良好な研磨結果を達成するためには、圧力レギュレータ１５の応答性は重要である。

【0009】

図２は、圧力レギュレータ１５の模式図である。圧力レギュレータ１５は、圧力室１０内の気体の圧力を調整する圧力制御バルブ１６と、圧力制御バルブ１６の下流側の気体の圧力（二次側圧力）を測定する圧力計１７と、圧力の測定値Ｐactと圧力の目標値Ｐｃとの差分を最小とするためのバルブ制御信号を生成するバルブ制御部（例えばＰＩＤコントローラ）２１とを備えている。二次側圧力は、圧力室１０内の圧力に相当する。圧力制御バルブ１６はバルブ制御信号に従って二次側圧力を制御する。このような圧力レギュレータ１５としては電空レギュレータが広く用いられる。

【0010】

図３は、圧力レギュレータ１５に入力される目標値Ｐｃと時間との関係を示すグラフである。図３に示すように、通常、圧力室１０内の圧力の目標値Ｐｃは、ある時間ｔ０で圧力レギュレータ１５のバルブ制御部２１に入力され、その後一定に維持される。図４は、圧力計１７によって測定された実際の圧力Ｐactを示すグラフである。図４に示すように、圧力Ｐactは、目標値Ｐｃの入力時間ｔ０からΔｔだけ遅れて目標値Ｐｃに達する。目標値Ｐｃに到達した後の圧力Ｐactはある程度の幅ΔＰで変動する。

【0011】

圧力レギュレータ１５の応答性の観点から、時間差Δｔはできるだけ小さいことが望ましく、圧力室１０内の圧力の安定性の観点から、変動幅ΔＰはできるだけ小さいことが望ましい。圧力レギュレータ１５の応答性を向上させること（すなわち、時間差Δｔを短くすること）は、バルブ制御部２１の動作設定の変更によって可能である。しかしながら、応答性を向上させると、図５に示すように、目標値Ｐｃの入力時に圧力Ｐactのオーバーシュートが起こり、圧力Ｐactが不安定となる。その一方で、オーバーシュートを防止して圧力Ｐactを安定させるためには、圧力レギュレータ１５の応答時間を長くする必要がある。しかしながら、これは、図６に示すように、時間差Δｔが増加することを意味する。

【0012】

目標値Ｐｃの入力に対する応答性を向上させ、かつオーバーシュートをなくし、さらに、一定の目標値Ｐｃに対応して実際の圧力Ｐactを安定させることが、バルブ制御部２１には求められる。図７は、バルブ制御部２１の周波数応答特性を示すグラフである。図７の縦軸は、目標値Ｐｃに対する実際の圧力（実測値）Ｐactの比率である応答倍率を表している。この応答倍率は、単位としてデシベル［ｄＢ］を用いて表されている。具体的には、目標値Ｐｃに対する実際の圧力Ｐactの比率（Ｐact／Ｐｃ）が１である場合、すなわち実際の圧力Ｐactが目標値Ｐｃの１倍である場合、応答倍率は０ｄＢである。通常、理想的な応答倍率は０ｄＢである。図７に示すグラフは、図４に示す応答性を実現するための周波数応答特性を表している。

【0013】

図７の横軸は、バルブ制御部２１に入力される入力制御信号の周波数を表している。入力制御信号は、圧力の目標値Ｐｃのみならず、圧力の目標値Ｐｃと、フィードバック値である圧力値Ｐactとの差分が含まれる。圧力の目標値Ｐｃは図３に示すように一定であるが、圧力値Ｐactは研磨テーブル２およびトップリング５の回転によって僅かに周期的に変動する。結果として、入力制御信号も変動する。この入力制御信号の周波数は、圧力値Ｐactの振動周波数に対応し、圧力値Ｐactの振動周波数は研磨テーブル２およびトップリング５の回転速度から算出される周波数に対応する。図７の横軸は、この変動する入力制御信号の周波数（すなわち、測定された圧力値Ｐactの周波数）を表している。図７に示すｆｃは共振周波数である。

【0014】

通常、ウェハの研磨時には、６０ｍｉｎ^−１〜１２０ｍｉｎ^−１の速度範囲内で研磨テーブル２およびトップリング５をそれぞれ回転させる。上述したように、研磨パッド１の表面は完全に平坦ではなく、トップリング５が自身の回転に伴って周期的に振動することもある。このため、ウェハの研磨中、研磨テーブル２およびトップリング５の回転に伴って圧力室１０の容積は微小に変動する。したがって、圧力室１０を含む気体格納空間の容積Ｑ、すなわち圧力室１０の容積と、圧力レギュレータ１５から圧力室１０までの気体流路２８の容積との合計が変動する。

【0015】

このような気体格納空間の容積Ｑの変動は、圧力レギュレータ１５の二次側圧力を示す圧力値Ｐactに影響し、結果として研磨テーブル２およびトップリング５の回転速度に同期した周波数で入力制御信号が変動する。例えば、研磨テーブル２およびトップリング５を同じ回転速度６０ｍｉｎ^−１で回転させたとき、入力制御信号は１Ｈｚ（６０ｍｉｎ^−１／６０sec＝１Ｈｚ）で振動する。研磨テーブル２およびトップリング５を同じ回転速度１２０ｍｉｎ^−１で回転させたときは、入力制御信号は２Ｈｚ（１２０ｍｉｎ^−１／６０sec＝２Ｈｚ）で振動する。

【0016】

しかしながら、図７のグラフから分かるように、入力制御信号の周波数が１〜２Ｈｚの範囲内では、応答倍率は０ｄＢ（１倍）ではない。これは、６０ｍｉｎ^−１〜１２０ｍｉｎ^−１の速度範囲内で研磨テーブル２およびトップリング５を回転速度で回転させると、圧力Ｐactは発散的に振動することを示している。

【0017】

このような圧力Ｐactの発散的な振動を防止するための解決策の１つは、研磨テーブル２およびトップリング５を異なる回転速度で回転させることである。研磨テーブル２およびトップリング５を異なる回転速度で回転させると、図８に示すように、気体格納空間（圧力室１０および気体流路２８）の容積Ｑは時間とともに大きくうねりながら変動する。図８において、容積Ｑのうねりの周期Ｔ１は、研磨テーブル２の回転速度とトップリング５の回転速度の差分（絶対値）から換算された周期に相当し、容積Ｑの振動の周期Ｔ２は、研磨テーブル２の回転速度から換算された周期に相当する。

【0018】

図８から分かるように、容積Ｑの変動幅ΔＱは周期的に０に近づく。このため、応答倍率が０ｄＢよりも大きいにもかかわらず、圧力Ｐactは発散的に振動しない。結果として、圧力Ｐactは、微小に変動しながらも、目標値Ｐｃに近い値に維持される。しかしながら、上述したように、ウェハを均一に研磨するためには、研磨テーブル２とトップリング５を同じ回転速度で回転させることが望ましい。

【0019】

最近では、圧力レギュレータ１５は、その応答性（時間差Δｔの短縮）と交換時のアクセス性の観点から、トップリング５の近くに配置されることが多い。このため、気体格納空間（圧力室１０および気体流路２８）の容積Ｑが小さくなる傾向にある。容積Ｑが小さくなると、その変動幅ΔＱは相対的に大きくなり、結果として、圧力室１０の容積変動が圧力Ｐactに与える影響は大きくなる。

【0020】

さらに、複数組の研磨テーブルとトップリングを備える研磨装置では、気体流路の長さがトップリング間で異なることがある。このような気体流路の長さの違いが存在すると、圧力Ｐactの変動の大きさがトップリング間で異なる。結果として、トップリングによってウェハの研磨結果が異なってしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0021】

【特許文献1】特開２００１−１０５２９８号公報

【特許文献2】特開２００５−８１５０７号公報

【特許文献3】特開２０１０−５０４３６号公報

【特許文献4】特開平１１−７０４６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0022】

本発明は、トップリングの圧力室内の圧力を安定して制御することができる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】

【0023】

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、前記研磨パッドに基板を押し付けるための圧力室を有する回転可能なトップリングと、前記圧力室内の気体の圧力を制御する圧力レギュレータとを備え、前記圧力レギュレータは、圧力制御バルブと、該圧力制御バルブの下流側の気体の圧力を測定する圧力計と、前記圧力室内の圧力の目標値と該圧力計によって測定された圧力値との差分を最小にするように前記圧力制御バルブの動作を制御するバルブ制御部とを備え、前記測定された圧力値の振動周波数が所定の周波数範囲内にあるとき、前記バルブ制御部の、前記目標値に対する前記測定された圧力値の比率を示す応答倍率は０ｄＢ以下であり、前記研磨テーブルの回転速度に対応する周波数は、前記所定の周波数範囲内にあることを特徴とする研磨装置である。

【0024】

本発明の好ましい態様は、前記バルブ制御部は、第１のバルブ制御部と第２のバルブ制御部から構成され、前記圧力レギュレータは、前記第１のバルブ制御部と前記第２のバルブ制御部とを切り替える切替器を有しており、前記測定された圧力値の振動周波数が前記所定の周波数範囲内にあるとき、前記第１のバルブ制御部の前記応答倍率は０ｄＢ以下であり、前記測定された圧力値の振動周波数が前記所定の周波数範囲内にあるとき、前記第２のバルブ制御部の前記応答倍率は０ｄＢよりも大きいことを特徴とする。

【0025】

本発明の好ましい態様は、前記圧力レギュレータは、前記測定された圧力値の振動周波数が前記所定の周波数範囲内にあるときの前記バルブ制御部の前記応答倍率を０ｄＢ以下に下げる帯域除去フィルタを備えることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨テーブルと前記トップリングは同じ回転速度で回転することを特徴とする。

【0026】

本発明の好ましい態様は、前記バルブ制御部の前記応答倍率を計測する応答倍率計測器をさらに備え、前記応答倍率計測器は、前記所定の周波数範囲内にある周波数でテスト目標値を振動させながら該テスト目標値を前記圧力レギュレータに入力し、前記振動するテスト目標値を前記圧力レギュレータに入力しているときの前記圧力計の出力値を取得し、前記出力値および前記テスト目標値から前記バルブ制御部の前記応答倍率を算出することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記算出された応答倍率が０ｄＢよりも大きい場合に、該応答倍率が０ｄＢ以下となるように前記バルブ制御部の動作を調整するチューニング器をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記圧力室と前記圧力レギュレータとの間に設けられたガスタンクをさらに備えたことを特徴とする。

【0027】

本発明の他の態様は、研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、前記研磨パッドに基板を押し付けるための圧力室を有する回転可能なトップリングと、前記圧力室内の気体の圧力を制御する圧力レギュレータと、前記圧力室と前記圧力レギュレータとの間に設けられたガスタンクとを備え、前記圧力レギュレータは、圧力制御バルブと、該圧力制御バルブの下流側の気体の圧力を測定する圧力計と、前記圧力室内の圧力の目標値と該圧力計によって測定された圧力値との差分を最小にするように前記圧力制御バルブの動作を制御するバルブ制御部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】

【0028】

本発明によれば、研磨テーブルの回転速度に対応した周波数では、バルブ制御部の応答倍率が０ｄＢとなる。したがって、ウェハなどの基板の研磨中に圧力室の圧力は発散的に振動せず、安定して所定の目標値に維持される。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】研磨装置の模式図である。

【図2】圧力レギュレータの模式図である。

【図3】圧力レギュレータに入力される目標値Ｐｃと時間との関係を示すグラフである。

【図4】圧力計によって測定された実際の圧力（測定された圧力値）Ｐactを示すグラフである。

【図5】圧力Ｐactのオーバーシュートを示すグラフである。

【図6】圧力レギュレータの応答時間を長く設定した場合の圧力Ｐactを示すグラフである。

【図7】バルブ制御部の周波数応答特性を示すグラフである。

【図8】研磨テーブルおよびトップリングを異なる回転速度で回転させたときの気体格納空間（圧力室および気体流路）の容積の変化を示すグラフである。

【図9】圧力レギュレータの一実施形態を示す模式図である。

【図10】図９に示すバルブ制御部の周波数応答特性を示すグラフである。

【図11】圧力レギュレータの他の実施形態を示す模式図である。

【図12】図１１に示す第１のバルブ制御部および第２のバルブ制御部の周波数応答特性を示すグラフである。

【図13】圧力レギュレータのさらに他の実施形態を示す模式図である。

【図14】図１３に示すバルブ制御部の周波数応答特性を示すグラフである。

【図15】バルブ制御部の応答倍率を計測する応答倍率計測器を備えた研磨装置の実施形態を示す模式図である。

【図16】ガスタンクを備えた研磨装置の実施形態を示す模式図である。

【図17】研磨テーブルおよびトップリングがそれらの回転軸心から傾いている状態を示す図である。

【図18】図１８（ａ）乃至図１８（ｃ）は、研磨テーブルおよびトップリングの位相角が同期した状態で回転している様子を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の一実施形態に係る研磨装置は、図１に示す研磨装置と基本的に同じ構成を有するので、その重複する説明を省略する。図９は、圧力レギュレータ１５の一実施形態を示す模式図である。圧力レギュレータ１５は、圧力室１０内の気体の圧力を調整する圧力制御バルブ１６と、この圧力制御バルブ１６の下流側の気体の圧力（二次側圧力）を測定する圧力計１７と、圧力の目標値Ｐｃと圧力計１７によって測定された圧力値Ｐactとの差分（偏差）を最小にするように圧力制御バルブ１６の動作を制御するバルブ制御部２５とを備えている。二次側圧力は、圧力室１０内の圧力に相当する。目標値Ｐｃは、トップリング５の圧力室１０内の圧力の目標値である。

【0031】

バルブ制御部２５としては、ＰＩＤ動作、すなわち比例動作、積分動作、および微分動作を行うＰＩＤコントローラを使用することができる。これら比例動作、積分動作、微分動作のそれぞれの操作量は、一般に、目標値と実測値との偏差、比例パラメータ（比例ゲイン）、積分パラメータ（比例ゲイン／積分時間）、および微分パラメータ（比例ゲイン＊微分時間）によって決定される。比例パラメータ、積分パラメータ、および微分パラメータは、予め設定された定数である。バルブ制御部２５の制御動作は、これらパラメータによって調整される。

【0032】

図１０は、図９に示すバルブ制御部２５の周波数応答特性を示すグラフである。図１０の縦軸は、目標値Ｐｃに対する実際の圧力（実測値）Ｐactの比率である応答倍率を表している。この応答倍率は、単位としてデシベル［ｄＢ］を用いて表されている。具体的には、目標値Ｐｃに対する実際の圧力Ｐactの比率（Ｐact／Ｐｃ）が１である場合、すなわち実際の圧力Ｐactが目標値Ｐｃの１倍である場合、応答倍率は０ｄＢである。

【0033】

図１０の横軸は、バルブ制御部２５に入力される入力制御信号の周波数を表している。入力制御信号は、圧力の目標値Ｐｃのみならず、圧力の目標値Ｐｃと、フィードバック値である圧力値Ｐactとの差分が含まれる。圧力の目標値Ｐｃは図３に示すように一定であるが、圧力値Ｐactは研磨テーブル２およびトップリング５の回転によって僅かに周期的に変動する。結果として、入力制御信号も変動する。この入力制御信号の周波数は、圧力値Ｐactの振動周波数に対応し、圧力値Ｐactの振動周波数は研磨テーブル２およびトップリング５の回転速度から算出される周波数に対応する。図１０の横軸は、この変動する入力制御信号の周波数（すなわち、測定された圧力値Ｐactの周波数）を表している。以下の説明では、入力制御信号の周波数を圧力値Ｐactの振動周波数として説明する。

【0034】

図１０に示すように、バルブ制御部２５の応答倍率は、測定された圧力値のＰactの振動周波数が所定の周波数範囲Ｒ内にあるとき、０ｄＢとなるように構成されている。この周波数範囲Ｒは、ウェハなどの基板の研磨をするときの研磨テーブル２およびトップリング５の回転速度から決定される。すなわち、ウェハ研磨時の研磨テーブル２およびトップリング５の回転速度に対応する周波数を含むように周波数範囲Ｒが決定される。例えば、ウェハ研磨時の研磨テーブル２およびトップリング５の回転速度が６０ｍｉｎ^−１〜１２０ｍｉｎ^−１の範囲内である場合、上記所定の周波数範囲Ｒは１〜２Ｈｚを含む範囲である。ウェハ研磨時の研磨テーブル２およびトップリング５の回転速度は、同じであってよい。

【0035】

バルブ制御部２５の応答倍率は、上述した制御パラメータ、すなわち比例パラメータ、積分パラメータ、および微分パラメータによって調整することができる。図１０に示す例では、上記所定の周波数範囲Ｒ内では、バルブ制御部２５の応答倍率が０ｄＢとなるように構成されているが、バルブ制御部２５の応答倍率が０ｄＢよりも低くなるように構成されてもよい。

【0036】

このような構成によれば、ウェハの研磨中に研磨テーブル２およびトップリング５の回転速度に同期して圧力値Ｐactが振動しても、その振動周波数を含む範囲ではバルブ制御部２５の応答倍率が０ｄＢであるので、圧力値Ｐactは発散しない。したがって、圧力レギュレータ１５は、目標値Ｐｃの入力に応じて圧力値Ｐactを安定して制御することができる。

【0037】

図１１は、圧力レギュレータ１５の他の実施形態を示す模式図である。この実施形態では、バルブ制御部２５は、第１のバルブ制御部２５Ａと第２のバルブ制御部２５Ｂから構成されている。圧力レギュレータ１５は、第１のバルブ制御部２５Ａと第２のバルブ制御部２５Ｂとを切り替える切替器２６を有しており、第１のバルブ制御部２５Ａと第２のバルブ制御部２５Ｂのうちのいずれか一方が切替器２６を介して圧力制御バルブ１６に接続される。

【0038】

図１２は、図１１に示す第１のバルブ制御部２５Ａおよび第２のバルブ制御部２５Ｂの周波数応答特性を示すグラフである。図１２に示すように、第１のバルブ制御部２５Ａの応答倍率は、圧力値Ｐactの振動周波数が上記所定の周波数範囲Ｒ内にあるとき、０ｄＢ以下である（図１２に示す例では０ｄＢ）。第２のバルブ制御部２５Ｂの応答倍率は、圧力値Ｐactの振動周波数が上記所定の周波数範囲Ｒ内にあるとき、０ｄＢよりも大きい。

【0039】

切替器２６は、所定のタイミングで動作して、第１のバルブ制御部２５Ａと第２のバルブ制御部２５Ｂのうちのいずれか一方を圧力制御バルブ１６に接続する。例えば、圧力のオーバーシュートを防ぐために、切替器２６は目標値Ｐｃが入力される前に第２のバルブ制御部２５Ｂを圧力制御バルブ１６に接続し、圧力室１０内の圧力の発散的な振動を防止するために、切替器２６はウェハの研磨中は第１のバルブ制御部２５Ａを圧力制御バルブ１６に接続する。このように周波数応答特性の異なる２つのバルブ制御部２５Ａ，２５Ｂを備えることで、圧力のオーバーシュートを防止しつつ、研磨中での圧力を安定させることができる。

【0040】

図１３は、圧力レギュレータ１５のさらに他の実施形態を示す模式図である。この実施形態では、１つのバルブ制御部２５が設けられている点で図９に示す実施形態と同じであるが、バルブ制御部２５は帯域除去フィルタ３１（例えば、バンドエリミネーションフィルタ）を備えている点で異なっている。この帯域除去フィルタ３１は、測定された圧力値Ｐactの振動周波数が所定の周波数範囲Ｒ内にあるときのバルブ制御部２５の応答倍率を、０ｄＢまたはそれよりも低くするフィルタである。

【0041】

図１４は、図１３に示すバルブ制御部２５の周波数応答特性を示すグラフである。図１４に示すように、帯域除去フィルタ３１により所定の周波数範囲Ｒ内では、応答倍率が０ｄＢ以下（図１４に示す例では０ｄＢ）となっている。この帯域除去フィルタ３１は、バルブ制御部２５の上流側または下流側に配置されてもよい。

【0042】

研磨テーブル２とトップリング５の回転速度が同じである条件下で圧力Ｐactが発散的に振動しないようにするための対応策として、研磨テーブル２およびトップリング５の回転速度に対応する周波数を持つ成分を、フィードバック値である圧力値Ｐactからフィルタで除去してもよい。このようなフィルタを用いることで、研磨テーブル２およびトップリング５の回転に起因する圧力Ｐactの微小な振動を除去することができる。

【0043】

図１５は、バルブ制御部２５の応答倍率を計測する応答倍率計測器３３を備えた研磨装置の実施形態を示す模式図である。この応答倍率計測器３３は、上記所定の周波数範囲Ｒ内にある周波数でテスト目標値を振動させながら該テスト目標値を圧力レギュレータ１５に入力するように構成される。テスト目標値は、予め定められた値であり、上述した目標値Ｐｃであってもよい。圧力計１７は、この振動するテスト目標値を圧力レギュレータ１５に入力しているときの圧力制御バルブ１６の下流側の気体の圧力（すなわち圧力制御バルブ１６の二次側圧力）を測定し、その間、応答倍率計測器３３は、圧力計１７の出力値を取得する。

【0044】

さらに、応答倍率計測器３３は、テスト目標値および圧力計１７の出力値からバルブ制御部２５の応答倍率を算出する。より具体的には、応答倍率計測器３３は、テスト目標値に対する出力値の比率からバルブ制御部２５の応答倍率を算出する。上述したように、応答倍率は単位としてデシベル［ｄＢ］を用いて表されているので、テスト目標値に対する出力値の比率は、対数（底が１０である対数）として表される。

【0045】

応答倍率計測器３３は、バルブ制御部２５の動作を調整するチューニング器３５に接続されている。このチューニング器３５は、応答倍率計測器３３によって測定された応答倍率が０ｄＢよりも大きい場合に、応答倍率が０ｄＢ以下となるようにバルブ制御部２５の制御動作を調整する。チューニング器３５は、上述した比例パラメータ、積分パラメータ、および微分パラメータを変更することによってバルブ制御部２５の動作を調整するように構成されている。

【0046】

所定の周波数範囲Ｒ内にある周波数でテスト目標値を振動させる目的は、研磨テーブル２およびトップリング５の回転に起因するトップリング５の圧力室１０内の圧力変動を模擬することである。したがって、応答倍率の測定は、研磨テーブル２およびトップリング５が回転していないときに実行される。このようにバルブ制御部２５の動作が応答倍率の測定値に基づいて調整されるので、圧力レギュレータ１５は、研磨テーブル２およびトップリング５の回転の影響を排除し、圧力室１０内の圧力を安定して制御することができる。

【0047】

図１６は、ガスタンク４０を備えた研磨装置の実施形態を示す模式図である。ガスタンク４０は、トップリング５の圧力室１０と圧力レギュレータ１５との間に配置されている。図１６に示すように、複数の圧力室１０および複数の圧力レギュレータ１５のそれぞれに対応して複数のガスタンク４０が設けられている。各ガスタンク４０は、圧力室１０と圧力レギュレータ１５とを連結する気体流路２８に接続されており、圧力室１０に連通している。したがって、上述した気体格納空間（トップリング５の圧力室１０および気体流路２８を含む）の容積Ｑがガスタンク４０の容積だけ増加し、研磨テーブル２およびトップリング５の回転に起因して生じる変動幅ΔＱは容積Ｑに対して相対的に小さくなる。結果として、研磨テーブル２およびトップリング５の回転に起因する気体圧力の変動を低下させることができる。

【0048】

図１７に示すように、研磨テーブル２およびトップリング５がそれらの回転軸心から傾いていると、研磨テーブル２およびトップリング５の回転に伴ってトップリング５の圧力室１０の容積は周期的に変化する。そこで、このようなウェハ研磨中の圧力室１０の容積変化を最小にするために、トップリング５の傾きが最大となる位相角が、研磨テーブル２の傾きが最大となる位相角に一致した状態で、研磨テーブル２およびトップリング５を同じ回転速度で回転させることが好ましい。この場合、研磨テーブル２およびトップリング５の位相角を測定するためのロータリエンコーダ（図示せず）を設けることが好ましい。

【0049】

図１８（ａ）乃至図１８（ｃ）は、研磨テーブル２およびトップリング５の位相角が同期した状態で回転している様子を示す図である。トップリング５は、その傾きが最大となる位相角が、研磨テーブル２の傾きが最大となる位相角に一致した状態で回転しながら、研磨テーブル２の回転に同期して上下動する。つまり、トップリング５と研磨テーブル２との上下方向の相対位置および相対的な角度が一定となるように、トップリング５および研磨テーブル２が回転し、かつトップリング５が上下動する。この実施形態では、研磨テーブル２およびトップリング５の位相角を同期させるために、研磨テーブル２およびトップリング５は同じ回転速度で回転する。このような動作により、気体格納空間（圧力室１０および気体流路２８を含む）の容積Ｑの変動幅ΔＱは最小となり、結果として、ウェハ研磨中の圧力室１０内の圧力を安定させることができる。

【0050】

今まで述べた各実施形態の研磨装置は、複数の圧力室１０、および対応する複数の圧力レギュレータ１５を備えているが、１つの圧力室１０および１つの圧力レギュレータ１５を備えていてもよい。

【0051】

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】

【0052】

１ 研磨パッド
２ 研磨テーブル
５ トップリング
１０ 圧力室
１１ 弾性膜
１４ ロータリージョイント
１５ 圧力レギュレータ
１６ 圧力制御バルブ
１７ 圧力計
２１，２５，２５Ａ，２５Ｂ バルブ制御部
２６ 切替器
２８ 気体流路
３１ 帯域除去フィルタ
３３ 応答倍率計測器
３５ チューニング器
４０ ガスタンク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】