特許 6181622 研磨装置および研磨方法

(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】6181622

(24)【登録日】2017年7月28日

(45)【発行日】2017年8月16日

(54)【発明の名称】研磨装置および研磨方法

(51)【国際特許分類】

   B24B 37/005 20120101AFI20170807BHJP

   B24B 37/30 20120101ALI20170807BHJP

   B24B 49/04 20060101ALI20170807BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20170807BHJP

【ＦＩ】

   B24B37/005 A

   B24B37/005 Z

   B24B37/30 E

   B24B49/04 Z

   H01L21/304 621D

   H01L21/304 622R

【請求項の数】16

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2014-189291(P2014-189291)

(22)【出願日】2014年9月17日

(65)【公開番号】特開2016-59991(P2016-59991A)

(43)【公開日】2016年4月25日

【審査請求日】2017年1月19日

【早期審査対象出願】

(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】福島 誠

(72)【発明者】

【氏名】安田 穂積

(72)【発明者】

【氏名】並木 計介

【審査官】 宮部 菜苗

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−３４３７５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３３４７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１８０６１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２１０６５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２４Ｂ ３７／００−３７／３４

Ｂ２４Ｂ ４９／０４

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨装置であって、
前記基板を前記研磨面に対して押し付ける弾性膜を有するとともに、前記基板を囲むように配置された、前記研磨面に接触するリテーナリングを有する研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドをその軸心を中心として回転させる回転機構と、
前記研磨ヘッドの回転角度を検出する回転角度検出器と、
前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記基板の研磨条件を周期的に変更することで、前記基板の周方向の膜厚分布のばらつきを低減させる研磨制御部とを備えたことを特徴とする研磨装置。

【請求項2】

前記研磨制御部は、
前記研磨ヘッドに保持される前の前記基板の周方向の向きを示す前記基板の初期角度を取得し、
前記基板を保持する前の前記研磨ヘッドの初期回転角度を取得す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】

前記研磨制御部は、前記基板の初期角度を前記研磨装置の外部から通信手段を介して取得することを特徴とする請求項２に記載の研磨装置。

【請求項4】

前記基板に形成されたノッチを検出するノッチ検出器をさらに備え、
前記研磨制御部は、前記ノッチの位置から前記基板の初期角度を取得することを特徴とする請求項２に記載の研磨装置。

【請求項5】

前記弾性膜は前記基板を前記研磨面に押圧するための流体が供給される環状の圧力室を形成し、
前記研磨装置は、前記環状の圧力室内の流体の圧力を調整する圧力レギュレータをさらに備えており、
前記研磨制御部は、前記圧力レギュレータを操作して前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記環状の圧力室内の圧力を周期的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。

【請求項6】

前記研磨装置は、前記リテーナリングを前記研磨面に押し付けるリテーナリング押圧機構をさらに備えており、
前記研磨制御部は、前記リテーナリング押圧機構を操作して前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記リテーナリングの前記研磨面に対する圧力を周期的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。

【請求項7】

前記研磨装置は、前記研磨ヘッドを上下動させる上下動機構をさらに備えており、
前記研磨制御部は、前記上下動機構を操作して前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記研磨ヘッドの高さを周期的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。

【請求項8】

前記研磨装置は、前記リテーナリングの一部に局所荷重を加える局所荷重付与装置をさらに備えており、
前記研磨制御部は、前記局所荷重付与装置を操作して前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記局所荷重を周期的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。

【請求項9】

前記研磨制御部は、前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記研磨ヘッドの角速度を周期的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。

【請求項10】

基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨方法であって、
研磨ヘッドで前記基板を保持し、
前記研磨ヘッドを回転させながら該研磨ヘッドで前記基板を前記研磨面に押圧し、
前記基板を前記研磨面に押圧しているときに、前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記基板の研磨条件を周期的に変更することで、前記基板の周方向の膜厚分布のばらつきを低減させることを特徴とする研磨方法。

【請求項11】

前記研磨ヘッドに保持される前の前記基板の周方向の向きを示す前記基板の初期角度を取得し、
前記基板を保持する前の前記研磨ヘッドの初期回転角度を取得する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の研磨方法。

【請求項12】

前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記研磨ヘッドの前記基板に加える押圧力を周期的に変化させることを特徴とする請求項１０に記載の研磨方法。

【請求項13】

前記研磨ヘッドは、前記基板を囲むように配置された、前記研磨面に接触するリテーナリングを有しており、
前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記リテーナリングの前記研磨面に対する圧力を周期的に変化させることを特徴とする請求項１０に記載の研磨方法。

【請求項14】

前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記研磨ヘッドの高さを周期的に変化させることを特徴とする請求項１０に記載の研磨方法。

【請求項15】

前記研磨ヘッドは、前記基板を囲むように配置された、前記研磨面に接触するリテーナリングを有しており、
前記研磨ヘッドを回転させながら前記研磨ヘッドで該基板を前記研磨面に押圧する工程は、前記研磨ヘッドを回転させながら前記研磨ヘッドで該基板を前記研磨面に押圧しつつ前記リテーナリングの一部に局所荷重を加える工程であり、
前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記局所荷重を周期的に変化させることを特徴とする請求項１０に記載の研磨方法。

【請求項16】

前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記研磨ヘッドの角速度を周期的に変化させることを特徴とする請求項１０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、ウェハなどの基板を研磨する研磨装置および研磨方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、回路の配線がますます微細化し、多層配線の層数も増加している。回路の微細化を図りながら多層配線を実現しようとすると、下側の層の表面凹凸を踏襲しながら段差がより大きくなるので、配線層数が増加するに従って、薄膜形成における段差形状に対する膜被覆性（ステップカバレッジ）が悪くなる。したがって、多層配線するためには、このステップカバレッジを改善し、然るべき過程で平坦化処理しなければならない。また光リソグラフィの微細化とともに焦点深度が浅くなるため、半導体デバイスの表面の凹凸段差が焦点深度以下に収まるように半導体デバイス表面を平坦化処理する必要がある。

【0003】

したがって、半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイス表面の平坦化がますます重要になっている。この表面の平坦化において最も重要な技術は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）である。この化学機械研磨は、シリカ（ＳｉＯ_２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドの研磨面上に供給しつつウェハを研磨面に摺接させて研磨を行うものである。

【0004】

ＣＭＰを行うための研磨装置は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、ウェハを保持するためのトップリング又は研磨ヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このような研磨装置を用いてウェハの研磨を行う場合には、基板保持装置によりウェハを保持しつつ、このウェハを研磨パッドの研磨面に対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることによりウェハが研磨面に摺接し、ウェハの表面が研磨される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６−３２４４１３号公報

【特許文献2】特開２００２−０７９４５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年、半導体デバイスの種類が飛躍的に増大しており、デバイス毎やＣＭＰ工程毎（酸化膜研磨や金属膜研磨など）に、異なる膜厚分布を有する膜の研磨が必要とされている。この理由は、ＣＭＰ工程の前に行われる成膜工程が膜の種類によって異なるためにウェハの初期膜厚分布が異なるからである。

【0007】

通常、ウェハは、その全面に亘って均一な膜厚分布を有することが必要とされる。ウェハの半径方向に初期膜厚が異なる場合には、特許文献１に示されるように、ウェハに当接する弾性膜によって形成される同心状の複数の圧力室内の圧力を調整することにより、ウェハの半径方向に沿った研磨レート（除去レートともいう）を調整することが可能である。

【0008】

成膜装置の特性などにより、研磨されるウェハの初期膜厚がウェハの周方向に沿ってばらつく場合がある。特に、ウェハの周縁部では初期膜厚が周方向に沿ってばらつく傾向がある。このような膜厚のばらつきを減少させるために、いくつかの研磨装置が提案されている。例えば、特許文献２には、ウェハの周方向に沿って分割された環状ピストンを用いた研磨装置が開示されている。さらに、特許文献１には、リテーナリングを押圧するための圧力室を周方向に沿って分割した基板保持装置が開示されている。

【0009】

しかしながら、これらの研磨装置は、ウェハの周方向に分割された押圧要素を用いるために、基板保持装置の構造が非常に複雑になる。さらに、分割された押圧要素の押圧力にばらつきが出る場合もある。例えば、特許文献１では、分割された各圧力室が伸縮する動作にばらつきが生じることがある。また、特許文献２では、各ピストンが下降する際の摺動抵抗にピストン間でばらつきがあることがある。

【0010】

特に、特許文献２に開示される基板保持装置では、ウェハの周方向に分割された複数の剛体ピストンがウェハを押圧するために、ウェハの研磨レートが周方向において不連続になることがある。加えて、ピストンの平面度のばらつきがウェハの研磨レートのばらつきとして現れる場合もある。

【0011】

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あり、ウェハなどの基板の周方向に沿った膜厚のばらつきを除去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】

【0012】

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨装置であって、前記基板を前記研磨面に対して押し付ける弾性膜を有するとともに、前記基板を囲むように配置された、前記研磨面に接触するリテーナリングを有する研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドをその軸心を中心として回転させる回転機構と、前記研磨ヘッドの回転角度を検出する回転角度検出器と、前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記基板の研磨条件を周期的に変更することで、前記基板の周方向の膜厚分布のばらつきを低減させる研磨制御部とを備えたことを特徴とする。

【0013】

本発明の好ましい態様は、前記研磨制御部は、前記研磨ヘッドに保持される前の前記基板の周方向の向きを示す前記基板の初期角度を取得し、前記基板を保持する前の前記研磨ヘッドの初期回転角度を取得することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨制御部は、前記基板の初期角度を前記研磨装置の外部から通信手段を介して取得することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板に形成されたノッチを検出するノッチ検出器をさらに備え、前記研磨制御部は、前記ノッチの位置から前記基板の初期角度を取得することを特徴とする。

【0014】

本発明の好ましい態様は、前記弾性膜は前記基板を前記研磨面に押圧するための流体が供給される環状の圧力室を形成し、前記研磨装置は、前記環状の圧力室内の流体の圧力を調整する圧力レギュレータをさらに備えており、前記研磨制御部は、前記圧力レギュレータを操作して前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記環状の圧力室内の圧力を周期的に変化させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨装置は、前記リテーナリングを前記研磨面に押し付けるリテーナリング押圧機構をさらに備えており、前記研磨制御部は、前記リテーナリング押圧機構を操作して前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記リテーナリングの前記研磨面に対する圧力を周期的に変化させることを特徴とする。

【0015】

本発明の好ましい態様は、前記研磨装置は、前記研磨ヘッドを上下動させる上下動機構をさらに備えており、前記研磨制御部は、前記上下動機構を操作して前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記研磨ヘッドの高さを周期的に変化させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨装置は、前記リテーナリングの一部に局所荷重を加える局所荷重付与装置をさらに備えており、前記研磨制御部は、前記局所荷重付与装置を操作して前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記局所荷重を周期的に変化させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨制御部は、前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記研磨ヘッドの角速度を周期的に変化させることを特徴とする。

【0016】

本発明の他の態様は、基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨方法であって、研磨ヘッドで前記基板を保持し、前記研磨ヘッドを回転させながら該研磨ヘッドで前記基板を前記研磨面に押圧し、前記基板を前記研磨面に押圧しているときに、前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記基板の研磨条件を周期的に変更することで、前記基板の周方向の膜厚分布のばらつきを低減させることを特徴とする。

【0017】

本発明の好ましい態様は、前記研磨ヘッドに保持される前の前記基板の周方向の向きを示す前記基板の初期角度を取得し、前記基板を保持する前の前記研磨ヘッドの初期回転角度を取得する工程をさらに含むことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記研磨ヘッドの前記基板に加える押圧力を周期的に変化させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨ヘッドは、前記基板を囲むように配置された、前記研磨面に接触するリテーナリングを有しており、前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記リテーナリングの前記研磨面に対する圧力を周期的に変化させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記研磨ヘッドの高さを周期的に変化させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨ヘッドは、前記基板を囲むように配置された、前記研磨面に接触するリテーナリングを有しており、前記研磨ヘッドを回転させながら前記研磨ヘッドで該基板を前記研磨面に押圧する工程は、前記研磨ヘッドを回転させながら前記研磨ヘッドで該基板を前記研磨面に押圧しつつ前記リテーナリングの一部に局所荷重を加える工程であり、前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記局所荷重を周期的に変化させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨ヘッドの回転角度に同期させて前記研磨ヘッドの角速度を周期的に変化させることを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、研磨ヘッドの回転角度に同期して研磨条件が周期的に変更される。研磨条件の変更は、基板の膜厚に大きく反映される。したがって、基板の周方向に沿った研磨レート（除去レート）を制御することが可能となり、基板の周方向に沿った膜厚のばらつきを除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【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】研磨装置の詳細な構成を示す図である。

【図3】研磨装置を上から見た模式図である。

【図4】研磨ヘッドの断面図である。

【図5】図５（ａ）、図５（ｂ）、および図５（ｃ）はウェハＷのエッジ部から３mm内側の位置でのウェハの周方向に沿った膜厚分布を示す図である。

【図6】研磨面の上方からみた位置関係を示した図である。

【図7】上述した研磨装置を用いた研磨方法の一実施形態を示す図である。

【図8】研磨装置の別の実施形態を示す図である。

【図9】図８に示す研磨装置を模式的に示す斜視図である。

【図10】上述した研磨装置を用いた研磨方法の一実施形態を示す図である。

【図11】研磨ヘッドの角速度を研磨ヘッドの一回転周期内で変更する他の実施例を示す図である。

【図12】ウェハ角度と研磨ヘッド角度との相対角度を決定する方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面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。
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、基板の一例であるウェハＷを保持して回転させる研磨ヘッド（基板保持装置）１と、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、研磨パッド２に研磨液（スラリー）を供給する研磨液供給ノズル５とを備えている。

【0021】

研磨ヘッド１は、その下面に真空吸引によりウェハＷを保持できるように構成されている。研磨ヘッド１および研磨テーブル３は、矢印で示すように同じ方向に回転し、この状態で研磨ヘッド１は、ウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。研磨液供給ノズル５からは研磨液が研磨パッド２上に供給され、ウェハＷは、研磨液の存在下で研磨パッド２との摺接により研磨される。

【0022】

研磨装置は、ウェハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号を取得する膜厚センサ７をさらに備えている。膜厚センサ７は、研磨テーブル３内に設置されている。研磨テーブル３が１回転するたびに、膜厚センサ７はウェハＷの中心部を含む複数の領域での膜厚信号を取得する。膜厚センサ７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。

【0023】

ウェハＷの研磨中、膜厚センサ７は研磨テーブル３と共に回転し、記号Ａに示すようにウェハＷの表面を横切りながら膜厚信号を取得する。この膜厚信号は、膜厚を直接または間接に示す指標値であり、ウェハＷの膜厚の減少に従って変化する。膜厚センサ７は研磨制御部９に接続されており、膜厚信号は研磨制御部９に送られるようになっている。研磨制御部９は、膜厚信号によって示されるウェハＷの膜厚が所定の目標値に達したときに、ウェハＷの研磨を終了させる。

【0024】

図２は、研磨装置の詳細な構成を示す図である。研磨テーブル３は、テーブル軸３ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ１３に連結されており、そのテーブル軸３ａの周りに回転可能になっている。研磨テーブル３の上面には研磨パッド２が貼付されており、研磨パッド２の上面がウェハＷを研磨する研磨面２ａを構成している。テーブルモータ１３により研磨テーブル３を回転させることにより、研磨面２ａは研磨ヘッド１に対して相対的に移動する。したがって、テーブルモータ１３は、研磨面２ａを水平方向に移動させる研磨面移動機構を構成する。

【0025】

研磨ヘッド１は、研磨ヘッドシャフト１１に接続されており、この研磨ヘッドシャフト１１は、上下動機構２７によりヘッドアーム１６に対して上下動するようになっている。この研磨ヘッドシャフト１１の上下動により、ヘッドアーム１６に対して研磨ヘッド１の全体を昇降させ位置決めするようになっている。研磨ヘッドシャフト１１の上端にはロータリージョイント２５が取り付けられている。

【0026】

研磨ヘッドシャフト１１および研磨ヘッド１を上下動させる上下動機構２７は、軸受２６を介して研磨ヘッドシャフト１１を回転可能に支持するブリッジ２８と、ブリッジ２８に取り付けられたボールねじ３２と、支柱３０により支持された支持台２９と、支持台２９上に設けられたサーボモータ３８とを備えている。サーボモータ３８を支持する支持台２９は、支柱３０を介してヘッドアーム１６に固定されている。

【0027】

ボールねじ３２は、サーボモータ３８に連結されたねじ軸３２ａと、このねじ軸３２ａが螺合するナット３２ｂとを備えている。研磨ヘッドシャフト１１は、ブリッジ２８と一体となって上下動するようになっている。したがって、サーボモータ３８を駆動すると、ボールねじ３２を介してブリッジ２８が上下動し、これにより研磨ヘッドシャフト１１および研磨ヘッド１が上下動する。ヘッドアーム１６には、ブリッジ２８に対向する研磨ヘッド高さセンサ３９が設けられている。この研磨ヘッド高さセンサ３９は、研磨ヘッド１と一体に上下動するブリッジ２８の位置から研磨ヘッド１の高さを測定する。

【0028】

また、研磨ヘッドシャフト１１はキー（図示せず）を介して回転筒１２に連結されている。この回転筒１２はその外周部にタイミングプーリ１４を備えている。ヘッドアーム１６には研磨ヘッドモータ１８が固定されており、上記タイミングプーリ１４は、タイミングベルト１９を介して研磨ヘッドモータ１８に設けられたタイミングプーリ２０に接続されている。したがって、研磨ヘッドモータ１８を回転駆動することによってタイミングプーリ２０、タイミングベルト１９、およびタイミングプーリ１４を介して回転筒１２および研磨ヘッドシャフト１１が一体に回転し、研磨ヘッド１がその軸心を中心として回転する。研磨ヘッドモータ１８、タイミングプーリ２０、タイミングベルト１９、およびタイミングプーリ１４は、研磨ヘッド１をその軸心を中心として回転させる回転機構を構成する。ヘッドアーム１６は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたアームシャフト２１によって支持されている。

【0029】

研磨ヘッド１は、その下面にウェハＷを保持できるようになっている。ヘッドアーム１６はアームシャフト２１を中心として旋回可能に構成されており、下面にウェハＷを保持した研磨ヘッド１は、ヘッドアーム１６の旋回によりウェハＷの受渡位置から研磨テーブル３の上方位置に移動される。研磨ヘッド１および研磨テーブル３をそれぞれ回転させ、研磨テーブル３の上方に設けられた研磨液供給ノズル５から研磨パッド２上に研磨液を供給する。そして、研磨ヘッド１によりウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押圧し、研磨液の存在下でウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに摺接させる。ウェハＷの表面は研磨液の化学成分による化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒の機械的作用とにより研磨される。

【0030】

図３は、研磨装置を上から見た模式図である。図３に示すように、複数のウェハを格納したＦＯＵＰ４２が研磨装置にセットされる。ＦＯＵＰ（Front-Opening Unified Pod）４２は、複数のウェハをその内部に格納することができる搬送容器である。ウェハＷはＦＯＵＰ４２に格納された状態で研磨装置に導入され、研磨装置から搬出される。通常、図３に示すように、複数のＦＯＵＰ４２が研磨装置にセットされる。１つのＦＯＵＰ４２には最大２５枚のウェハを格納することができる。

【0031】

研磨装置は、ＦＯＵＰ（搬送容器）４２と研磨ヘッド１との間でウェハＷを搬送する搬送装置４７を備えている。搬送装置４７は、矢印に示す方向にウェハＷを搬送することが可能に構成されている。より具体的には、搬送装置４７は複数のＦＯＵＰ４２のうちの１つから１枚のウェハＷを取り出し、研磨テーブル３の側方にある受渡位置にウェハＷを搬送するように構成されている。搬送装置４７は、搬送ロボット、ウェハＷを水平方向に移動させるリニアトランスポータ、ウェハＷを鉛直方向に移動させるプッシャなどの組み合わせから構成されるが、搬送装置４７はこの構成に限定されない。

【0032】

上述したように、研磨ヘッド１は、ヘッドアーム１６の旋回により受渡位置と研磨テーブル３の上方位置との間を移動可能に構成されている。研磨ヘッド１は受渡位置においてウェハＷを搬送装置４７から受け取り、下面でウェハＷを保持し、ウェハＷとともに研磨テーブル３の上方位置に移動し、そしてウェハＷを研磨テーブル３上の研磨パッド２に押し付ける。

【0033】

搬送装置４７に沿って反転機５４、ノッチ検出器５５、および膜厚測定器５６が配置されている。図３では、ノッチ検出器５５および膜厚測定器５６は、互いに横に並んでいるが、縦に並んで配列されていてもよい。搬送装置４７は、ウェハＷを反転機５４、ノッチ検出器５５、および膜厚測定器５６に搬送することが可能に構成されている。

【0034】

反転機５４はウェハＷを反転させる装置である。ウェハＷはその研磨される面が上向きの状態でＦＯＵＰ４２に格納されている。したがって、研磨ヘッド１が研磨パッド２の上面から構成される研磨面２ａに押し付けることができるようにするために、ウェハＷの研磨される面が下を向くように反転機５４により反転される。ノッチ検出器５５は、ウェハＷの周縁部に形成されたノッチを検出する装置である。このノッチはウェハＷの周方向の向きを示す切り欠きである。膜厚測定器５６は、ウェハの膜厚を測定するインライン型膜厚測定器である。

【0035】

次に、基板保持装置を構成する研磨ヘッド１について説明する。図４は、研磨ヘッド１の断面図である。図４に示すように、研磨ヘッド１は、ウェハＷを研磨面２ａに対して押圧するヘッド本体１０と、ウェハＷを囲むように配置されたリテーナリング４０とを備えている。ヘッド本体１０およびリテーナリング４０は、研磨ヘッドシャフト１１の回転により一体に回転するように構成されている。リテーナリング４０は、ヘッド本体１０とは独立して上下動可能に構成されている。

【0036】

ヘッド本体１０の下面には、ウェハＷの裏面に当接する弾性膜４５が取り付けられている。弾性膜４５の下面は、ウェハＷを研磨面２ａに押圧する押圧面４５ａを構成する。弾性膜４５は複数の環状の隔壁４５ｂを有しており、これらの隔壁４５ｂにより、弾性膜４５とヘッド本体１０との間に４つの圧力室、すなわち、センター圧力室５０、リプル圧力室５１、アウター圧力室５２、およびエッジ圧力室５３が形成されている。センター圧力室５０は円形であり、リプル圧力室５１、アウター圧力室５２、およびエッジ圧力室５３は環状である。センター圧力室５０、リプル圧力室５１、アウター圧力室５２、およびエッジ圧力室５３は、同心状に配置されている。本実施形態では、弾性膜４５とヘッド本体１０との間に４つの圧力室が形成されているが、圧力室の数は４つよりも多くても少なくてもよい。

【0037】

圧力室５０〜５３はロータリージョイント２５および圧力レギュレータＲ１〜Ｒ４を経由して流体供給源６５に接続されており、流体供給源６５から加圧流体が圧力室５０〜５３に供給されるようになっている。圧力レギュレータＲ１〜Ｒ４は、これら４つの圧力室５０〜５３内の圧力を独立に調整できるようになっている。さらに、圧力室５０〜５３は、これら圧力室５０〜５３内に負圧を形成する図示しない真空源（例えば真空ポンプ）にも接続されている。弾性膜４５は、リプル圧力室５１またはアウター圧力室５２に対応する位置に通孔（図示せず）を有しており、この通孔に負圧を形成することにより押圧面４５ａ上にウェハＷを保持できるようになっている。

【0038】

センター圧力室５０、リプル圧力室５１、アウター圧力室５２、およびエッジ圧力室５３は大気開放機構（図示せず）にも接続されており、センター圧力室５０、リプル圧力室５１、アウター圧力室５２、およびエッジ圧力室５３を大気開放することも可能である。

【0039】

リテーナリング４０は、弾性膜４５およびウェハＷを囲むように配置されており、ウェハＷの研磨中にウェハＷが研磨ヘッド１から飛び出さないようにウェハＷを保持している。リテーナリング４０の上部は、環状のリテーナリング押圧機構６０に連結されており、このリテーナリング押圧機構６０は、リテーナリング４０の上面の全体に均一な下向きの荷重を与え、これによりリテーナリング４０の下面の全体を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。

【0040】

リテーナリング押圧機構６０は、リテーナリング４０の上部に固定された環状のピストン６１と、ピストン６１の上面に接続された環状のローリングダイヤフラム６２とを備えている。ローリングダイヤフラム６２の内部には環状のリテーナリング圧力室６３が形成されている。このリテーナリング圧力室６３はロータリージョイント２５および圧力レギュレータＲ５を経由して流体供給源６５に接続されている。

【0041】

流体供給源６５からリテーナリング圧力室６３に加圧流体（例えば、加圧空気）を供給すると、ローリングダイヤフラム６２がピストン６１を下方に押し下げ、さらに、ピストン６１はリテーナリング４０の全体を下方に押し下げる。このようにして、リテーナリング押圧機構６０は、リテーナリング４０の下面の全体を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。リテーナリング圧力室６３内の圧力は、圧力レギュレータＲ５によって調整される。

【0042】

さらに、リテーナリング圧力室６３は、このリテーナリング圧力室６３内に負圧を形成する図示しない真空源（例えば真空ポンプ）にも接続されている。リテーナリング圧力室６３内に負圧を形成することにより、リテーナリング４０の全体を上昇させることができる。リテーナリング圧力室６３は大気開放機構（図示せず）にも接続されており、リテーナリング圧力室６３を大気開放することも可能である。

【0043】

圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５は研磨制御部９に接続されており、これら圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５の動作は研磨制御部９によって制御される。

【0044】

リテーナリング４０は、リテーナリング押圧機構６０に着脱可能に連結されている。より具体的には、ピストン６１は金属などの磁性材から形成されており、リテーナリング４０の上部には複数の磁石７０が配置されている。これら磁石７０がピストン６１を引き付けることにより、リテーナリング４０がピストン６１に磁力により固定される。

【0045】

研磨中のウェハＷと研磨ヘッド１との相対角度のずれは４５度以下であることが望ましく、より望ましくは２０度以下である。このため、弾性膜４５はウェハ保持能力に優れたゴム材から形成されている。具体的には、弾性膜４５は、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム等の強度及び耐久性に優れたゴム材から形成されている。このような材料から構成された弾性膜４５を使用することにより、ウェハＷの研磨中は、ウェハＷと研磨ヘッド１とは一体に回転する。

【0046】

弾性膜４５の内部空間は、ウェハＷの半径方向には環状の隔壁４５ｂにより複数の圧力室５０，５１，５２，５３に分割されているが、ウェハＷの周方向には分割されていない。したがって、圧力室５０，５１，５２，５３は、ウェハＷの周方向に一様な押圧力をウェハＷに加えることが可能である。リテーナリング４０は、ウェハＷの周方向に延びるリテーナリング押圧機構６０により、周方向に一様な押圧力で研磨パッド２に対して押圧される。

【0047】

図５（ａ）、図５（ｂ）、および図５（ｃ）はウェハＷの最も外側の端部から３mm内側の位置でのウェハＷの周方向に沿った膜厚分布の例を示す図である。より具体的には、図５（ａ）は、ウェハ研磨前の初期膜厚分布を示し、図５（ｂ）は従来の研磨装置で研磨される場合のウェハの膜厚分布を示し、図５（ｃ）は本実施形態の研磨装置で研磨される場合のウェハの膜厚分布を例示的に示している。

【0048】

ウェハ周方向における膜厚のばらつきは、その後のデバイス製造工程において問題となりやすい。一般には、ウェハＷの最も外側の端部から３mm〜５mm内側に位置した領域での膜厚のばらつきが問題となることが多い。図５（ａ）〜図５（ｃ）におけるウェハ角度０度の位置は、ウェハの周方向の角度（または向き）を特定できる特徴的な箇所の位置に設定される。図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す例では、ウェハ角度０度の位置は、ウェハの周縁部に形成されたノッチの位置である。

【0049】

図５（ａ）に示される例では、研磨前の初期膜厚分布は、ウェハ角度１８０度にピーク位置があり、あるピーク幅、ピーク高さを持つ膜厚のばらつきを示している。このような初期膜厚分布が生じる原因としては、成膜装置の特性や、多層配線を形成するための様々なプロセスの影響などが考えられる。

【0050】

従来の研磨装置で図５（ａ）の初期膜厚分布を持つウェハを研磨した場合には、周方向にほぼ一様に研磨が進行するために、図５（ｂ）に示されるように、研磨されたウェハには研磨前とほぼ同様の膜厚分布が残ってしまう。このような膜厚分布のばらつきは次の露光工程で焦点が合わない原因となったりして、半導体製造の歩留まりを低下させてしまうこととなる。

【0051】

図５（ｃ）に示されるように、以下に説明する本実施形態の研磨装置により図５（ａ）の初期膜厚分布を持つウェハを研磨した場合には、ピーク位置での研磨レートを選択的に速くすることにより、周方向の膜厚ばらつきを初期膜厚分布に比べて低減することが可能となる。

【0052】

次に、ウェハの周方向における研磨レート分布を制御することによってウェハの周方向の膜厚分布のばらつきを改善する実施形態について説明する。図６は、研磨面２ａの上方からみた位置関係を示した図である。ウェハＷの中心と研磨面２ａの中心を結んだ線を想像線ＶＬと定義すると、研磨面２ａは、その回転方向に関して想像線ＶＬの上流側と、想像線ＶＬの下流側とに分けることができる。想像線ＶＬの上流側および想像線ＶＬの下流側は、言い換えれば、研磨面２ａの移動方向に関してウェハＷの上流側および下流側である。

【0053】

図６に示す円Ｓは、ウェハＷの中心を通る研磨面２ａの回転軌跡を表している。円Ｓのウェハ中心での接線Ｔとウェハ円との２つの交点のうち、上流側の交点を研磨ヘッド角度０度とし、下流側の交点を研磨ヘッド角度１８０度とする。想像線ＶＬとウェハ円との２つの交点のうち研磨面中心側の交点を研磨ヘッド角度２７０度、研磨面外周側の交点を研磨ヘッド角度９０度とする。ウェハ円は、ウェハＷの最も外側の端部を表す円である。

【0054】

ウェハＷの研磨中、ウェハＷは研磨面２ａから摩擦力を受けてウェハＷの周縁部がリテーナリング４０の内周面に押し付けられた状態となっている。この摩擦力はリテーナリング４０のほぼ１点に加えられるので、リテーナリング４０の一部が外側に押し広げられるようにリテーナリング４０が局所的に変形する。このため、リテーナリング４０は、ウェハＷの周縁部を研磨パッド２に押し込むように作用する場合がある。この場合、ウェハＷの下流側部位は他の部位よりも高い研磨レートで研磨される。また、ウェハＷもリテーナリング４０に押し付けられることにより変形し、ウェハＷの下流側部位と研磨パッド２との接触圧力が局所的に上昇し、ウェハＷの下流側部位は他の部位よりも高い研磨レートで研磨される。

【0055】

このように、ウェハＷはその全周に亘って一様に研磨されているのではなく、研磨レートが異なる状態で研磨されている。上で述べた例とは逆に、研磨液が流入するウェハＷの上流側部位（研磨液の滴下位置によっては研磨面中心側）での研磨レートが下流側部位に比べて高い場合も考えられる。

【0056】

図７は上述した研磨装置を用いた研磨方法の一実施形態を示している。横軸は研磨時間、縦軸は研磨ヘッド角度、ウェハ角度、およびウェハＷの周縁部を押圧するエッジ圧力室５３内の圧力を示している。この実施形態では研磨条件の例としてエッジ圧力室５３内の圧力を挙げたが、他の圧力室５０〜５２やリテーナリング圧力室６３内の圧力であってもよい。

【0057】

研磨時間が経過するに従い、研磨ヘッド角度は０度、１８０度、３６０度（＝０度）と変化し、研磨ヘッド１の回転は周期Ｔで繰り返えされる。従来の研磨装置ではエッジ圧力室５３内の圧力は一定に維持されたまま研磨されるが（図示せず）、本実施形態の研磨装置では、ウェハの膜が厚い箇所（図５（ａ）ではウェハ角度１８０度のウェハの部位）が研磨ヘッド角度１８０度に位置している間にエッジ圧力室５３の圧力を増加させる。この昇圧時間をΔtと表す。

【0058】

図７に示される例では、研磨ヘッド角度１８０度の位置で、研磨レートが高い状態となっている。したがって、ウェハの膜が厚い箇所が研磨ヘッド角度１８０度の位置に来たときに、エッジ圧力室５３内全体の圧力を一時的に増加させて、ウェハの膜が厚い箇所の研磨レートを選択的に増加させる。この動作を総研磨時間に亘って複数回、または継続実施することにより、研磨されたウェハの周方向での膜厚分布の均一性を高めることが可能となる。エッジ圧力室５３内全体の圧力を一時的に増加させると、角度０度などの他の箇所でも研磨レートは増加するが、研磨ヘッド角度１８０度の位置で研磨レートが高い状態となっているため、他の角度に比べて角度１８０度の研磨量は相対的に多く増加する。したがって、ウェハの周方向での膜厚分布の均一性を高めることが可能となる。

【0059】

上の例とは逆に、ウェハの膜が薄い箇所（ウェハ角度０度の箇所）が研磨ヘッド角度１８０度の位置に来たときにエッジ圧力室５３内全体の圧力を一時的に減少させることにより、この箇所の研磨レートを選択的に低下させることも可能である。上述した２つの圧力操作を組み合わせて、より効率的に周方向膜厚分布の均一性を高めることも可能である。

【0060】

図５（ａ）に示す膜厚のピーク形状がピーク位置に対してほぼ対称である場合には、図７の昇圧時間Δtをウェハ角度が１８０度となる時刻の前後均等な時間に設定してもよい。ピーク位置とピーク幅の中心が一致しない場合、例えばピーク幅の中心の角度がピーク位置よりも小さい場合は、ピーク位置よりも角度が小さい領域をより多く研磨する必要がある。このため、昇圧時間Δtの中心はウェハ角度が１８０度となる時刻よりも前の時間に設定される。

【0061】

ピーク幅に従って昇圧時間を変更したり、ピーク高さに従ってエッジ圧力室５３内の圧力の増加分を変更してもよい。具体的にはピーク幅に従って昇圧時間を長くし、ピーク高さに従って圧力室５３内の圧力の増加分を大きくする。図７の例では圧力室５３内の圧力を矩形波状に変化させているが、これを階段状にしたり、傾斜状にしたり、曲線的に変化させてもよい。

【0062】

図７の例では弾性膜４５の最外周に位置するエッジ圧力室５３内の圧力のみを変更しているが、エッジ圧力室５３よりも内側の圧力室の圧力を変更してもよいし、複数の圧力室を同時に変更してもよい。例えば、エッジ圧力室５３とアウター圧力室５２の圧力を同時に変更してもよい。この場合、変更する圧力は各圧力室で異なってもよいし、同じでもよい。

【0063】

通常、リテーナリング４０に加える圧力を増加させると、ウェハの最も外側の端部から３mm〜５mm内側の領域での研磨レートは増加する。また、研磨ヘッド１の高さを上昇させた場合には、弾性膜４５の伸びによる損失が増加するために、ウェハの最も外側の端部から３mm〜５mm内側の領域での研磨レートは減少する。このことを利用して図７のエッジ圧力室５３内の圧力を研磨ヘッド１の回転角度に同期させて周期的に増加させる代わりに、リテーナリング４０に加える圧力を周期的に増加させてもよいし、あるいは研磨ヘッド１の高さを周期的に下げてもよい。リテーナリング４０に加える圧力は、リテーナリング押圧機構６０のリテーナリング圧力室６３内全体の圧力を変化させることにより変化させることができる。また、研磨ヘッド１の高さは、図２に示す上下動機構２７により変えることができる。

【0064】

研磨レートを変更するための各パラメータ（エッジ圧力室５３内の圧力、リテーナリング４０に対する圧力など）の変更に対する研磨レートの応答はプロセスによって異なるために、上記実施形態とは異なるパラメータの変更を行う場合もある。例えば、リテーナリング４０の圧力を増加させた場合にウェハの最も外側の端部から３mm〜５mm内側の領域での研磨レートが低下するプロセスの場合には、エッジ圧力室５３内の圧力を増加させる代わりにリテーナリング４０に対する圧力を減少させる操作が行われる。

【0065】

図８は研磨装置の別の実施形態を示している。図８に示す研磨ヘッド１は、リテーナリング４０を傾動自在に支持する球面軸受８５を有している。リテーナリング４０は、連結部材７５を介して球面軸受８５に連結されている。連結部材７５は、ヘッド本体１０の中心部に配置された軸部７６と、この軸部７６に固定されたハブ７７と、このハブ７７から放射状に延びる複数のスポーク７８とを備えている。

【0066】

スポーク７８の一方の端部は、ハブ７７に固定されており、スポーク７８の他方の端部は、リテーナリング４０に固定されている。ハブ７７と、スポーク７８とは一体に形成されている。ヘッド本体１０の内部には、複数対の駆動カラー８０が配置されている。各対の駆動カラー８０は各スポーク７８の両側に配置されており、ヘッド本体１０の回転は、駆動カラー８０を介してリテーナリング４０に伝達され、これによりヘッド本体１０とリテーナリング４０とは一体に回転する。

【0067】

球面軸受８５は、リテーナリング４０の内側に配置されている。連結部材７５の軸部７６は、ヘッド本体１０の中央部に配置された球面軸受８５に縦方向に移動自在に支持されている。このような構成により、連結部材７５およびこれに固定されたリテーナリング４０は、ヘッド本体１０に対して縦方向に移動可能となっている。さらに、リテーナリング４０は、球面軸受８５により傾動可能に支持されている。リテーナリング４０は、横方向に移動することは実質的に許容されず、リテーナリング４０の横方向（水平方向）の位置は球面軸受８５によって固定される。

【0068】

リテーナリング４０は、ヘッド本体１０から半径方向外側に張り出した上面を有している。このリテーナリング４０の上方には、リテーナリング４０の一部に下向きの局所荷重を加える局所荷重付与装置１１０が配置されている。図９は局所荷重付与装置１１０の設置位置を示している。図９に示すように、局所荷重付与装置１１０は、ヘッドアーム１６に固定されており、研磨パッド２の回転方向（進行方向）においてウェハＷの下流側に配置されている。研磨中のリテーナリング４０はその軸心周りに回転するが、局所荷重付与装置１１０はリテーナリング４０とは一体に回転せず、その位置は固定である。

【0069】

図８に戻り、局所荷重付与装置１１０の一実施形態を説明する。図８に示すように、リテーナリング４０の外周部上面には、荷重伝達部材１１１が固定されている。この荷重伝達部材１１１の上部には、ガイドリング１１２が固定されている。局所荷重付与装置１１０は、ガイドリング１１２および荷重伝達部材１１１を介してリテーナリング４０の一部に下向きの局所荷重を与える。荷重伝達部材１１１はリング形状でもよいし、リテーナリング４０の円周方向に沿って設置された複数の円柱でもよい。

【0070】

局所荷重付与装置１１０の下向きの局所荷重は、ガイドリング１１２から荷重伝達部材１１１を通じてリテーナリング４０の一部に伝達される。局所荷重付与装置１１０の動作は、研磨制御部９によって制御される。なお、荷重伝達部材１１１およびガイドリング１１２を設けずに、局所荷重付与装置１１０がリテーナリング４０に直接下向きの局所荷重を与えてもよい。

【0071】

研磨ヘッド１は自身の軸心を中心として回転するが、局所荷重付与装置１１０はヘッドアーム１６に固定されるため研磨ヘッド１と共には回転しない。すなわち、ウェハＷの研磨中、研磨ヘッド１およびウェハＷは回転している一方、局所荷重付与装置１１０は所定の位置に静止している。

【0072】

局所荷重付与装置１１０は、エアシリンダ１１４と、エアシリンダ１１４のピストン１１４ａに連結された車輪１１５とから基本的に構成されている。このエアシリンダ１１４は、ヘッドアーム１６に固定されている。車輪１１５はピストン１１４ａの先端に取り付けられており、エアシリンダ１１４によって車輪１１５を下降させたときに車輪１１５がガイドリング１１２に荷重を与えるように構成されている。エアシリンダ１１４に供給する気体の圧力を変更することにより、車輪１１５がリテーナリング４０へ与える荷重を変更することができる。

【0073】

車輪１１５はその中心に配置された回転しない車輪軸１１６に回転自在に支持されており、車輪軸１１６を中心に滑らかに回転可能である。車輪１１５は低摩擦材料で形成され、車輪軸１１６と車輪１１５との間にはボールベアリングなどの軸受を配置することも可能である。

【0074】

図１０に示すように、エッジ圧力室５３内の圧力を変更する代わりに、研磨ヘッド１の回転角度に同期してリテーナリング４０に対する局所荷重を周期的に変更することにより、ウェハの周方向における膜厚分布の均一性を改善することも可能である。

【0075】

図１１は研磨ヘッド１の角速度を研磨ヘッド１の一回転周期Ｔ内で変更する他の実施例を示している。本実施例ではエッジ圧力室５３内の圧力は変更しておらず、その代わりに研磨ヘッド１の回転角度が１８０度に位置する際に研磨ヘッド１の角速度を一時的に遅くしている。こうすることによりウェハの膜が厚い箇所（ウェハ角度１８０度の箇所）が、研磨ヘッド角度が１８０度の位置に滞在する時間が延び、ウェハの膜が厚い箇所の研磨レートを増加させることが可能となる。研磨制御部９は、図２に示す研磨ヘッドモータ１８を操作して研磨ヘッド１の角速度を研磨ヘッド１の回転角度に同期させて周期的に変化させることにより、ウェハ周方向における膜厚分布の均一性を改善することができる。

【0076】

なお、図５（ａ）に示す例は周方向の初期膜厚の分布のピークが１つの場合を説明しているが、複数のピークがある場合でも同様な方法によりウェハの周方向における膜厚分布の均一性を高めることが可能である。

【0077】

次にウェハと研磨ヘッドとの相対角度を決定する方法について図１２のフローチャートを参照して説明する。ステップＡ-１，ステップＡ-２，ステップＡ-３は、それぞれ、ウェハの角度（または向き）を特定するための特徴的な箇所であるノッチの角度を取得するステップである。このノッチの角度は、研磨ヘッド１に保持される前のウェハの向きを示す初期角度である。

【0078】

より具体的には、ステップＡ-１では、研磨装置に接続された、半導体製造工場のホストコンピュータからウェハのノッチ位置に関する情報が研磨制御部９に入力される。図３に示すように、研磨されるウェハはＦＯＵＰ（搬送容器）４２に格納され、複数のウェハを格納したＦＯＵＰ４２が研磨装置にセットされる。ＦＯＵＰ４２に対するノッチの相対的な位置（角度）は、ホストコンピュータから通信手段を介して研磨制御部９に入力される。ノッチの位置（角度）はＦＯＵＰ４２内のウェハごとに異なってもよい。

【0079】

ステップＡ-２の場合はステップＡ-１とは異なり、予め決められた位置（角度）にノッチがある状態で複数のウェハがＦＯＵＰ４２内に格納されている。通常、ウェハが研磨装置に導入される前には、ノッチアライメント動作を伴う膜厚測定や欠陥検査などの工程が行われる。このため、複数のウェハはＦＯＵＰ４２内でノッチが同じ位置（同じ角度）にある状態となっている場合が多い。この様な場合には、ＦＯＵＰ４２内のすべてのウェハのノッチが予め決められた同じ位置にある状態でＦＯＵＰ４２が研磨装置にセットされる（ステップＡ-２）。工程毎にノッチ位置が異なる場合はあるため、１つのＦＯＵＰ４２内ではノッチ位置が揃っていても、ＦＯＵＰ毎にノッチ位置が異なる場合はある。

【0080】

ステップＡ-３は、ウェハのノッチ位置を検出する工程であり、上記ステップＡ-１，Ａ-２とは異なるステップである。このステップＡ-３では、ウェハを収容したＦＯＵＰ４２が研磨装置にセットされた後に、研磨装置に備えられたノッチ検出器５５（図３参照）によりウェハのノッチ位置が検出される。

【0081】

次に、研磨されるウェハの膜厚に関する情報が研磨制御部９に入力される。ステップＢ-１では、ステップＡ-１の場合と同様に半導体製造工場のホストコンピュータからウェハの膜厚に関する情報が研磨制御部９に入力される。ウェハの膜厚に関する情報は、ピーク位置、ピーク幅、ピーク高さなどのウェハの周方向における初期膜厚分布を含んでいる。この情報に基づき、膜厚のばらつきを解消するために必要な研磨条件変更時間（図７の例では昇圧時間）および研磨条件変更量（図７の例では昇圧量）が決定されてもよいし、半導体製造工場のホストコンピュータから研磨制御部９にこれら研磨条件変更時間および研磨条件変更量が入力されてもよい。

【0082】

ステップＢ-２では、ステップＢ-１とは異なり、予め決められたウェハ膜厚に関する情報を使用して、研磨制御部９によって研磨条件変更時間および研磨条件変更量が決定される。

【0083】

ステップＢ-３では、ステップＢ-１，Ｂ-２とは異なり、研磨装置に備えられた膜厚測定器５６（図３参照）によりウェハの膜厚が測定され、この膜厚情報を使用して、研磨制御部９によって研磨条件変更時間および研磨条件変更量が決定される。

【0084】

ウェハは、成膜工程が行われた後に研磨装置に導入される。したがって、研磨されるウェハは、成膜装置の特性に依存した周方向膜厚分布を有しており、ＦＯＵＰ４２内のウェハ間での膜厚分布のばらつきは比較的小さい。したがって、この様な場合には、予め決められた研磨条件変更時間および研磨条件変更量が使用されてもよい。

【0085】

図３に示すように、研磨装置に導入されたウェハは、搬送装置４７により受渡位置まで搬送され、この受渡位置にてウェハは研磨ヘッド１に渡される。ウェハが受渡位置に搬送されたときのノッチの位置は既知である。ＦＯＵＰ４２内に格納されたウェハは搬送装置４７でＦＯＵＰ４２から取り出され、反転機５４により被研磨面が下向きになるように反転され、さらに搬送装置４７により受渡位置にまで搬送される。この様なＦＯＵＰ４２から受渡位置までの搬送動作は予め決められた動作であるので、研磨制御部９は、ウェハが受渡位置に搬送されたときのノッチ位置を予め取得（予測する）ことができる。ステップＡ−３でのノッチ位置検出がウェハの反転前に行われる場合には、ノッチ位置情報はステップＡ−１、およびステップＡ−２と同様に取り扱われるが、ウェハの反転後にノッチ位置が検出される場合にはノッチ位置情報は反転によるノッチ位置変化を考慮して取り扱われる。

【0086】

受渡位置に搬送されたウェハを研磨ヘッド１が保持する前に、研磨制御部９は、研磨ヘッド１の現在の回転角度、すなわち初期回転角度を取得する。研磨ヘッド１の回転角度は、図２に記載される研磨ヘッドモータ１８に取り付けられたロータリエンコーダ４１によって検出される。ロータリエンコーダ４１は研磨ヘッド１の回転角度を検出する回転角度検出器である。ただし、回転角度検出器は、研磨ヘッド１の回転角度を検出できるものであれば、ロータリエンコーダに限定されない。

【0087】

次に、研磨制御部９は、研磨ヘッド１の初期回転角度が、受渡位置でのウェハのノッチ位置（初期角度）に一致するまで研磨ヘッド１を回転させる（ステップＤ-１）。こうすることにより、全てのウェハの回転角度を研磨ヘッド１の回転角度に一致させることが可能となる。上記ステップＤ-１が行われる場合は、ウェハと研磨ヘッド１との相対角度は０度である。研磨ヘッド１の初期回転角度をウェハのノッチ位置に一致させなくてもよい（ステップＤ-２）。この場合は、研磨制御部９は、ウェハのノッチ位置（初期角度）と研磨ヘッド１の初期回転角度との差から、ウェハと研磨ヘッド１との相対角度を決定する。

【0088】

ステップＥでは、研磨ヘッド１でウェハを保持し、さらに研磨制御部９は、ウェハの膜の厚い箇所（図５（ａ）のピーク位置）と研磨ヘッド１との相対角度を算出する。

【0089】

研磨ヘッド１に保持されたウェハは、研磨ヘッド１によって研磨パッド２の研磨面２ａの上方位置に移動され、そして研磨ヘッド１によって研磨面２ａに押圧される。ウェハは、研磨液供給ノズル５から供給された研磨液の存在下で研磨面２ａに摺接され、これによりウェハの表面が研磨される（ステップＦ）。ウェハの研磨中は、膜厚分布のピーク位置、すなわち膜の厚い箇所が研磨ヘッド角度１８０度に位置するたびに、研磨条件変更時間の間だけ、研磨条件変更量に従って研磨条件が周期的に変更される。

【0090】

研磨ヘッド１がウェハを研磨パッド２の研磨面２ａに押圧した瞬間は、圧力室５０〜５３内の圧力はあまり高くないため、この時点では研磨ヘッド１の弾性膜４５とウェハとの摩擦力が十分に発生していない。このため、回転する研磨面２ａによりウェハが研磨ヘッド１に対してわずかに回転してしまうことがある。これを避けるためにウェハの研磨面２ａへの押圧開始時には研磨テーブル３の回転を停止したり、通常の研磨工程よりも低速で研磨テーブル３を回転させてもよい。研磨開始時のウェハの研磨ヘッド１に対する回転方向へのずれは同一研磨条件の下では大きな差は無いので、予め確認したこのずれ分を見込んで、研磨ヘッド１の回転に伴う研磨条件変更を行ってもよい。

【0091】

ウェハ研磨中に、ウェハの角度が研磨ヘッド１の回転角度に対してわずかにずれることはあり得るが、このような相対角度の変化量は非常に小さいと予想される。したがって、上述したように研磨ヘッド１の回転角度に同期して周期的に研磨条件を変更することにより、ウェハの膜厚分布の周方向におけるばらつきを低減することは可能である。

【0092】

上記ステップＢ-１、ステップＢ-２、およびステップＢ-３では、研磨制御部９は、ウェハの研磨開始前にウェハの初期膜厚に関する情報を取得して研磨条件変更時間および研磨条件変更量を決定する。これに代えて、図１に記載の膜厚センサ７を使用して、ウェハの研磨中に、膜厚センサ７により回転角度毎の膜厚を測定してもよい。この場合は、ウェハの研磨中に、測定結果に基づいて研磨条件を変更したり、周方向の膜厚ばらつきがなくなった場合には研磨条件の変更操作を止めることも可能である。

【0093】

研磨制御部９は、ウェハの研磨中に膜厚センサ７により得られた膜厚測定値から膜厚分布を取得し、この膜厚分布の変化からウェハと研磨ヘッド１との相対位置（相対角度）の変化を検出することも可能である。さらに、研磨制御部９は、ウェハの研磨中に、膜厚分布の変化に従って研磨条件を変更してもよい。

【0094】

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】

【0095】

１ 研磨ヘッド
２ 研磨パッド
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給ノズル
７ 膜厚センサ
９ 研磨制御部
１０ ヘッド本体
１１ 研磨ヘッドシャフト
１２ 回転筒
１３ テーブルモータ
１４ タイミングプーリ
１６ ヘッドアーム
１８ 研磨ヘッドモータ
２０ タイミングプーリ
２１ アームシャフト
２５ ロータリージョイント
２６ 軸受
２７ 上下動機構
２８ ブリッジ
２９ 支持台
３０ 支柱
３２ ボールねじ
３８ サーボモータ
３９ 研磨ヘッド高さセンサ
４０ リテーナリング
４１ ロータリエンコーダ（回転角度検出器）
４５ 弾性膜
４５ａ 押圧面
５０〜５３ 圧力室
６０ リテーナリング押圧機構
６１ ピストン
６２ ローリングダイヤフラム
６３ リテーナリング圧力室
６５ 流体供給源
７０ 磁石
７５ 連結部材
７６ 軸部
７７ ハブ
７８ スポーク
８０ 駆動カラー
８５ 球面軸受
１１０ 局所荷重付与装置
１１１ 荷重伝達部材
１１２ ガイドリング
１１４ エアシリンダ
１１５ 車輪
１１６ 車輪軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】