特許 6266493 研磨装置及び研磨方法

(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】6266493

(24)【登録日】2018年1月5日

(45)【発行日】2018年1月24日

(54)【発明の名称】研磨装置及び研磨方法

(51)【国際特許分類】

   B24B 37/005 20120101AFI20180115BHJP

   B24B 37/30 20120101ALI20180115BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20180115BHJP

【ＦＩ】

   B24B37/005 A

   B24B37/30 E

   H01L21/304 621D

   H01L21/304 622K

【請求項の数】17

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2014-228346(P2014-228346)

(22)【出願日】2014年11月10日

(65)【公開番号】特開2015-193068(P2015-193068A)

(43)【公開日】2015年11月5日

【審査請求日】2017年2月3日

(31)【優先権主張番号】特願2014-57859(P2014-57859)

(32)【優先日】2014年3月20日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

【前置審査】

(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】230104019

【弁護士】

【氏名又は名称】大野 聖二

(74)【代理人】

【識別番号】230112025

【弁護士】

【氏名又は名称】小林 英了

(74)【代理人】

【識別番号】230117802

【弁護士】

【氏名又は名称】大野 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100106840

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 耕司

(74)【代理人】

【識別番号】100131451

【弁理士】

【氏名又は名称】津田 理

(74)【代理人】

【識別番号】100167933

【弁理士】

【氏名又は名称】松野 知紘

(74)【代理人】

【識別番号】100174137

【弁理士】

【氏名又は名称】酒谷 誠一

(74)【代理人】

【識別番号】100184181

【弁理士】

【氏名又は名称】野本 裕史

(72)【発明者】

【氏名】塩川 陽一

(72)【発明者】

【氏名】八木 圭太

(72)【発明者】

【氏名】小林 洋一

【審査官】 小川 真

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−３３１１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−００４６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２２５８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０３１６６２８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２４Ｂ ３７／００５

Ｂ２４Ｂ ３７／３０

Ｂ２４Ｂ ３７／０４

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

ＤＷＰＩ（Ｄｅｒｗｅｎｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

研磨対象物の被研磨面と研磨部材とを相対的に摺動させて前記被研磨面を研磨する研磨装置であって、
前記研磨対象物の前記被研磨面の裏面を押圧することで、前記被研磨面を前記研磨部材に押圧する押圧部と、
前記研磨対象物の研磨中に、前記研磨対象物の前記被研磨面の残膜プロファイルを推定する膜厚測定部と、
前記研磨対象物の研磨中に、前記膜厚測定部の測定結果に応じて、前記押圧部による前記被研磨面の裏面に対する押圧を制御する制御部と、
を備え、
前記押圧部は、円形状の圧力室及びその周りを囲む複数の円環状の圧力室から形成され、
前記制御部は、前記研磨対象物の研磨中の前記押圧部による押圧の制御とともに、前記被研磨面の前記研磨部材に対する押圧に影響を与える前記押圧部の周辺部を研磨中に制御し、
前記制御部は、前記周辺部の押圧を、前記押圧部の最外周の圧力室であるエッジ室によって裏面を直接押圧される前記被研磨面のエッジ領域内の半径方向に分けられた複数の領域の各々の研磨速度に対する、前記押圧部の前記エッジ室の押圧、および前記周辺部の押圧との関係式を用いて研磨中に計算することを特徴とする研磨装置。

【請求項2】

前記周辺部は、前記押圧部の近傍で前記研磨部材を押圧するリテーナ部材であり、
前記制御部は、前記押圧部による前記被研磨面の裏面の押圧の制御とともに、前記リテーナ部材による前記研磨部材の押圧を制御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】

前記押圧部は、前記研磨対象物の前記被研磨面の裏面のエッジ領域を押圧し、
前記リテーナ部材は、前記研磨対象物を囲う部材であ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】

前記研磨対象物の前記被研磨面の裏面を部分的に押圧する複数の前記押圧部を備え、
前記周辺部は、隣接する他の前記押圧部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5】

前記周辺部は、前記押圧部の弾性体の変形による前記被研磨面の圧力を制御する機構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6】

前記周辺部は、前記押圧部の弾性体の変形を制御する機構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7】

前記制御部は、前記被研磨面の膜厚プロファイルが、前記被研磨面の全面において、均一又は所望の形状となるように、前記周辺部の押圧を制御することを特徴とする請求項２ないし６のいずれか一項に記載の研磨装置。

【請求項8】

前記制御部は、前記被研磨面の膜厚プロファイルが、前記押圧部によって裏面を直接押圧される前記被研磨面の領域内において、均一又は所望の形状となるように、前記周辺部の押圧を制御することを特徴とする請求項２ないし４のいずれか一項に記載の研磨装置。

【請求項9】

前記周辺部の制御について制御限界値が設定されており、
前記制御部は、前記制御限界値の範囲内で制御を行うことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の研磨装置。

【請求項10】

研磨対象物の被研磨面と研磨部材とを相対的に摺動させて前記被研磨面を研磨する研磨方法であって、
前記研磨対象物の前記被研磨面の裏面を押圧部で押圧することで、前記被研磨面を前記研磨部材に押圧する押圧ステップと、
前記研磨対象物の研磨中に、前記研磨対象物の前記被研磨面の残膜プロファイルを推定する膜厚測定ステップと、
前記研磨対象物の研磨中に、前記膜厚測定ステップにおける測定結果に応じて、前記押圧部による前記被研磨面の裏面に対する押圧を制御する制御ステップと、
を含み、
前記押圧部は、円形状の圧力室及びその周りを囲む複数の円環状の圧力室から形成され、
前記制御ステップは、前記押圧部による前記被研磨面の裏面の押圧の制御とともに、前記被研磨面の前記研磨部材に対する押圧に影響を与える前記押圧部の周辺部を研磨中に制御し、
前記周辺部の押圧は、前記押圧部の最外周の圧力室であるエッジ室によって裏面を直接押圧される前記被研磨面のエッジ領域内の半径方向に分けられた複数の領域の各々の研磨速度に対する、前記押圧部の前記エッジ室の押圧、および前記周辺部の押圧との関係式を用いて研磨中に計算されることを特徴とする研磨方法。

【請求項11】

前記被研磨面の裏面に対する押圧と前記周辺部の押圧とが、閉ループ制御において同時に決定されることを特徴とする請求項１０に記載の研磨方法。

【請求項12】

前記膜厚測定部は、光学式の膜厚センサ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13】

前記膜厚測定部は、渦電流式膜厚センサ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14】

推定された残膜プロファイルが目標膜厚プロファイルになるまで、前記膜厚測定ステップと前記制御ステップとを一定の周期で繰り返すことを特徴とする請求項１０に記載の研磨方法。

【請求項15】

前記周辺部は、前記押圧部の近傍で前記研磨部材を押圧するリテーナ部材であり、
前記制御ステップは、前記押圧部による前記被研磨面の裏面の押圧の制御とともに、前記リテーナ部材による前記研磨部材の押圧を制御す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】

前記押圧ステップは、複数の前記押圧部により前記研磨対象物の前記被研磨面の裏面を部分的に押圧し、
前記周辺部は、隣接する他の前記押圧部であることを特徴とする請求項１０に記載の研磨方法。

【請求項17】

前記制御ステップは、前記被研磨面の膜厚プロファイルが、前記被研磨面の全面において、均一又は所望の形状となるように、前記周辺部の押圧を制御することを特徴とする請求項１５または１６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、研磨装置及び研磨方法に係り、特に半導体ウエハなどの研磨対象物を研磨して所望の膜厚プロファイルを得る研磨装置及び研磨方法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・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。従って、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。回路の微細化に伴って、平坦化処理に対する精度の要求は高くなってきている。また、多層配線工程だけでなく、ＦＥＯＬ（Front End Of Line）においても、トランジスタ周辺部の構造の複雑化に伴って、平坦化処理に対する精度要求は高まっている。

【0003】

このように、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技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、研磨装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ₂）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ半導体ウエハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。

【0004】

この種の研磨装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウエ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半導体ウエハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウエハを保持しつつ、この半導体ウエハを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半導体ウエハが研磨面に摺接し、半導体ウエハの表面が平坦かつ鏡面状に研磨される。

【0005】

このような研磨装置において、研磨中の半導体ウエハと研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力が半導体ウエハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウエハの各部分に与えられる押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。半導体ウエハに対する押圧力を均一化するために、基板保持装置の下部に弾性膜（メンブレン）から形成される圧力室を設け、この圧力室に加圧空気などの流体を供給することで弾性膜を介して流体圧により半導体ウエハを研磨パッドの研磨面に押圧して研磨することが行われている。

【0006】

一方、研磨対象となる半導体ウエハの表面に形成される薄膜は、成膜の際の方法や装置の特性により、半導体ウエハの半径方向の位置によって膜厚が異なる。即ち、半導体ウエハの表面は、半径方向に初期膜厚分布を持っている。半導体ウエハの全面を均一に押圧し研磨する上述の基板保持装置では、半導体ウエハの全面に亘って均一に研磨されるため、半導体ウエハの表面上の初期膜厚分布を補正することができない。

【0007】

そこで、半導体ウエハの面内に弾性膜（メンブレン）から形成される複数の圧力室を設け、複数の圧力室に供給される加圧空気などの流体の圧力をそれぞれ制御する研磨装置が提案されている（例えば、特許文献１）。この研磨装置では、半導体ウエハに印加される圧力を部分的に制御して膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることにより、その部分の研磨レートを選択的に高め、これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない平坦な研磨を可能としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００６−１２８５８２号公報

【特許文献2】特開２００１−０６０５７２号公報

【特許文献3】特許第４６８９３６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、研磨対象物を精度よく研磨できる研磨装置及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】

【0010】

本発明の研磨装置は、研磨対象物の被研磨面と研磨部材とを相対的に摺動させて前記被研磨面を研磨する研磨装置であって、前記研磨対象物の前記被研磨面の裏面を押圧することで、前記被研磨面を前記研磨部材に押圧する押圧部と、前記研磨対象物の研磨中に、前記研磨対象物の前記被研磨面の残膜プロファイルを推定する膜厚測定部と、前記研磨対象物の研磨中に、前記膜厚測定部の測定結果に応じて、前記押圧部による前記被研磨面の裏面に対する押圧を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記研磨対象物の研磨中の前記押圧部による押圧の制御とともに、前記被研磨面の前記研磨部材に対する押圧に影響を与える前記押圧部の周辺部を研磨中に制御する構成を有している。

【0011】

この構成により、押圧部によって直接押圧される部分の被研磨面の研磨部材に対する押圧が、押圧部による押圧の制御だけでなく、周辺部による当該部分の被研磨面の研磨部材に対する押圧の制御によっても制御されるので、精度の高い研磨を行うことができる。また、そのような制御を研磨対象物の研磨中に、その研磨状況に応じて行うので、研磨の過程で押圧部による押圧力を変化させた場合にも、それに対応して周辺部を制御することができる。

【0012】

上記の研磨装置において、前記周辺部は、前記押圧部の近傍で前記研磨部材を押圧するリテーナ部材であってよく、前記制御部は、前記押圧部による前記被研磨面の裏面の押圧の制御とともに、前記リテーナ部材による前記研磨部材の押圧を制御してよい。

【0013】

この構成により、リテーナ部材の研磨部材に対する押圧を制御することで、押圧部によって直接押圧される部分の被研磨面の研磨部材に対する押圧が制御されるので、精度の高い研磨を行うことができる。

【0014】

上記の研磨装置において、前記押圧部は、前記研磨対象物の前記被研磨面の裏面のエッジ領域を押圧してよく、前記リテーナ部材は、前記研磨対象物を囲う部材であってよい。

【0015】

この構成により、リテーナ部材の研磨部材に対する押圧を制御することで、押圧部によって裏面を直接押圧される被研磨面のエッジ領域の研磨部材に対する押圧が制御されるので、エッジ部分において精度の高い研磨を行うことができる。

【0016】

上記の研磨装置は、前記研磨対象物の前記被研磨面の裏面を部分的に押圧する複数の前記押圧部を備えていてよく、前記周辺部は、隣接する他の前記押圧部であってよい。

【0017】

この構成により、ある押圧部によって裏面を直接押圧される部分の被研磨面の研磨部材に対する押圧が、隣接する他の押圧部による被研磨面の裏面の押圧を制御することで制御されるので、精度の高い研磨を行うことができる。

【0018】

上記の研磨装置において、前記周辺部は、前記押圧部の弾性体の変形による前記被研磨面の圧力を制御する機構であってよい。

【0019】

この構成により、研磨状況に基づいて、押圧部の弾性体の変形による被研磨面の圧力を制御できる。

【0020】

上記の研磨装置において、前記周辺部は、前記押圧部の弾性体の変形を制御する機構であってよい。

【0021】

この構成により、研磨状況に基づいて、押圧部の弾性体の変形を制御できる。

【0022】

上記の研磨装置において、前記制御部は、前記被研磨面の膜厚プロファイルが、前記押圧部によって裏面を直接押圧される前記被研磨面の全面において均一、あるいは所望の形状となるように、前記周辺部の押圧を制御してよい。

【0023】

この構成により、押圧部によって裏面を直接押圧される被研磨面の研磨部材に対する押圧の周辺部からの影響が、押圧部によって裏面を直接押圧される被研磨面において一様でない場合にも、押圧部によって裏面を直接押圧される被研磨面を均一に研磨できる。

【0024】

上記の研磨装置において、前記周辺部の制御について制御限界値が設定されていてよく、前記制御部は、前記制御限界値の範囲内で制御を行ってよい。

【0025】

この構成により、制御部が所定のアルゴリズムに従って制御をした際に、制御限界を超えて周辺部が制御されることを防止でき、研磨対象物や研磨装置の破損等の事故を防止できる。

【0026】

上記の研磨装置において、前記押圧部は、円形状の圧力室及びその周りを囲む複数の円環状の圧力室から形成されてよい。

【0027】

この構成により、半径方向の膜厚プロファイルを所望の形状とすることができる。

【0028】

本発明の研磨方法は、研磨対象物の被研磨面と研磨部材とを相対的に摺動させて前記被研磨面を研磨する研磨方法であって、前記研磨対象物の前記被研磨面の裏面を押圧部で押圧することで、前記被研磨面を前記研磨部材に押圧する押圧ステップと、前記研磨対象物の研磨中に、前記研磨対象物の前記被研磨面の残膜プロファイルを推定する膜厚測定ステップと、前記研磨対象物の研磨中に、前記膜厚測定ステップにおける測定結果に応じて、前記押圧部による前記被研磨面の裏面に対する押圧を制御する制御ステップとを含み、前記制御ステップは、前記押圧部による前記被研磨面の裏面の押圧の制御とともに、前記被研磨面の前記研磨部材に対する押圧に影響を与える前記押圧部の周辺部を研磨中に制御する構成を有している。

【0029】

この構成によっても、押圧部によって直接押圧される部分の被研磨面の研磨部材に対する押圧が、押圧部による押圧の制御だけでなく、周辺部による当該部分の被研磨面の研磨部材に対する押圧の制御によっても制御されるので、精度の高い研磨を行うことができる。また、そのような制御を研磨対象物の研磨中に、その研磨状況に応じて行うので、研磨の過程で押圧部による押圧力が変化させた場合にも、それに対応して周辺部を制御することができる。

【0030】

上記の研磨方法において、前記周辺部の押圧は、前記押圧部によって裏面を直接押圧される前記被研磨面の研磨速度に対する、前記押圧部、および前記周辺部との関係式を用いて研磨中に計算されてよい。

【0031】

この構成により、膜厚測定ステップにおける測定結果に応じた押圧部及び周辺部の制御を行うことができる。

【0032】

上記の研磨方法において、前記被研磨面の裏面に対する押圧と前記周辺部の押圧とが、閉ループ制御において同時に決定されてよい。

【0033】

この構成により、より精度の高い制御を実現できる。

【発明の効果】

【0034】

本発明によれば、押圧部によって直接押圧される部分の被研磨面の研磨部材に対する押圧が、押圧部による押圧の制御だけでなく、周辺部による当該部分の被研磨面の研磨部材に対する押圧の制御によっても制御されるので、精度の高い研磨を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】本発明の実施の形態に係る研磨装置の全体構成を示す概略図

【図2】本発明の実施の形態に係るトップリングの模式的断面図

【図3】本発明の実施の形態に係る研磨テーブルの主要構成要素を示す模式的断面図

【図4】本発明の実施の形態に係る研磨動作の制御のための研磨装置の構成を示す図

【図5】本発明の実施の形態に係る研磨装置の研磨制御のフロー図

【図6】本発明の実施の形態に係る圧力室の圧力変化を示すグラフ

【図7】本発明の実施の形態に係るトップリングの主要構成要素を示す模式的断面図

【図8】本発明の実施の形態に係る基板面同心円状の複数の領域の番号付けの順序を示す図

【図9】本発明の実施の形態に係るモデル予測制御の参照軌道を示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0036】

以下、本発明の実施の形態の研磨装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する場合の一例を示すものであって、本発明を以下に説明する具体的構成に限定するものではない。本発明の実施にあたっては、実施の形態に応じた具体的構成が適宜採用されてよい。

【0037】

図１は、本発明の実施の形態に係る研磨装置の全体構成を示す概略図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１００と、研磨対象物である半導体ウエハ等の基板を保持して研磨テーブル１００上の研磨面に押圧する基板保持装置としてのトップリング１とを備えている。研磨テーブル１００は、テーブル軸１００ａを介してその下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されている。研磨テーブル１００は、モータが回転することにより、テーブル軸１００ａ周りに回転する。研磨テーブル１００の上面には、研磨部材としての研磨パッド１０１が貼付されている。この研磨パッド１０１の表面１０１ａは、半導体ウエハＷを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル１００の上方には研磨液供給ノズル６０が設置されている。この研磨液供給ノズル６０から、研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１上に研磨液（研磨スラリ）Ｑが供給される。

【0038】

なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ニッタ・ハース社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）になっており、その表面に多数の微細なへこみまたは孔を有している。

【0039】

トップリング１は、半導体ウエハＷを研磨面１０１ａに対して押圧するトップリング本体２と、半導体ウエハＷの外周縁を保持して半導体ウエハＷがトップリング１から飛び出さないようにするリテーナ部材としてのリテーナリング３とから基本的に構成されている。トップリング１は、トップリングシャフト１１１に接続されている。このトップリングシャフト１１１は、上下動機構１２４によりトップリングヘッド１１０に対して上下動する。トップリング１の上下方向の位置決めは、トップリングシャフト１１１の上下動により、トップリングヘッド１１０に対してトップリング１の全体を昇降させて行われる。トップリングシャフト１１１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。

【0040】

トップリングシャフト１１１及びトップリング１を上下動させる上下動機構１２４は、軸受１２６を介してトップリングシャフト１１１を回転可能に支持するブリッジ１２８と、ブリッジ１２８に取り付けられたボールねじ１３２と、支柱１３０により支持された支持台１２９と、支持台１２９上に設けられたＡＣサーボモータ１３８とを備えている。サーボモータ１３８を支持する支持台１２９は、支柱１３０を介してトップリングヘッド１１０に固定されている。

【0041】

ボールねじ１３２は、サーボモータ１３８に連結されたねじ軸１３２ａと、このねじ軸１３２ａが螺合するナット１３２ｂとを備えている。トップリングシャフト１１１は、ブリッジ１２８と一体となって上下動する。従って、サーボモータ１３８を駆動すると、ボールねじ１３２を介してブリッジ１２８が上下動し、これによりトップリングシャフト１１１及びトップリング１が上下動する。

【0042】

また、トップリングシャフト１１１はキー（図示せず）を介して回転筒１１２に連結されている。回転筒１１２は、その外周部にタイミングプーリ１１３を備えている。トップリングヘッド１１０にはトップリング用回転モータ１１４が固定されており、タイミングプーリ１１３は、タイミングベルト１１５を介してトップリング用回転モータ１１４に設けられたタイミングプーリ１１６に接続されている。従って、トップリング用回転モータ１１４を回転駆動することによってタイミングプーリ１１６、タイミングベルト１１５、及びタイミングプーリ１１３を介して回転筒１１２及びトップリングシャフト１１１が一体に回転し、トップリング１が回転する。

【0043】

トップリングヘッド１１０は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたトップリングヘッドシャフト１１７によって支持されている。研磨装置は、トップリング用回転モータ１１４、サーボモータ１３８、研磨テーブル回転モータをはじめとする装置内の各機器を制御する制御部５００を備えている。

【0044】

次に、本発明の研磨装置におけるトップリング（研磨ヘッド）１について説明する。図２は、研磨対象物である半導体ウエハを保持して研磨テーブル１００上の研磨面に押圧する基板保持装置としてのトップリング１の模式的断面図である。図２においては、トップリング１を構成する主要構成要素だけを図示している。

【0045】

図２に示すように、トップリング１は、半導体ウエハＷを研磨面１０１ａに対して押圧するトップリング本体（キャリアとも称する）２と、研磨面１０１ａを直接押圧するリテーナ部材としてのリテーナリング３とから基本的に構成されている。トップリング本体（キャリア）２は概略円盤状の部材からなり、リテーナリング３はトップリング本体２の外周部に取り付けられている。トップリング本体２は、エンジニアリングプラスティック（例えば、ＰＥＥＫ）などの樹脂により形成されている。トップリング本体２の下面には、半導体ウエハの裏面に当接する弾性膜（メンブレン）４が取り付けられている。弾性膜（メンブレン）４は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度及び耐久性に優れたゴム材によって形成されている。弾性膜（メンブレン）４は、半導体ウエハ等の基板を保持する基板保持面を構成している。

【0046】

弾性膜（メンブレン）４は同心状の複数の隔壁４ａを有し、これら隔壁４ａによって、メンブレン４の上面とトップリング本体２の下面との間に円形状のセンター室５、環状のリプル室６、環状のアウター室７、環状のエッジ室８が形成されている。すなわち、トップリング本体２の中心部にセンター室５が形成され、中心から外周方向に向かって、順次、同心状に、リプル室６、アウター室７、エッジ室８が形成されている。トップリング本体２内には、センター室５に連通する流路１１、リプル室６に連通する流路１２、アウター室７に連通する流路１３、エッジ室８に連通する流路１４がそれぞれ形成されている。

【0047】

センター室５に連通する流路１１、アウター室７に連通する流路１３、エッジ室８に連通する流路１４は、ロータリージョイント２５を介して流路２１、２３、２４にそれぞれ接続されている。流路２１、２３、２４は、それぞれバルブＶ１−１、Ｖ３−１、Ｖ４−１及び圧力レギュレータＲ１、Ｒ３、Ｒ４を介して圧力調整部３０に接続されている。また、流路２１、２３、２４は、それぞれバルブＶ１−２、Ｖ３−２、Ｖ４−２を介して真空源３１に接続されるとともに、バルブＶ１−３、Ｖ３−３、Ｖ４−３を介して大気に連通可能になっている。

【0048】

一方、リプル室６に連通する流路１２は、ロータリージョイント２５を介して流路２２に接続されている。そして、流路２２は、気水分離槽３５、バルブＶ２−１及び圧力レギュレータＲ２を介して圧力調整部３０に接続されている。また、流路２２は、気水分離槽３５及びバルブＶ２−２を介して真空源１３１に接続されるとともに、バルブＶ２−３を介して大気に連通可能になっている。

【0049】

また、リテーナリング３の直上にも弾性膜（メンブレン）３２によってリテーナリング圧力室９が形成されている。弾性膜（メンブレン）３２は、トップリング１のフランジ部に固定されたシリンダ３３内に収容されている。リテーナリング圧力室９は、トップリング本体（キャリア）２内に形成された流路１５及びロータリージョイント２５を介して流路２６に接続されている。流路２６は、バルブＶ５−１及び圧力レギュレータＲ５を介して圧力調整部３０に接続されている。また、流路２６は、バルブＶ５−２を介して真空源３１に接続されるとともに、バルブＶ５−３を介して大気に連通可能になっている。

【0050】

圧力レギュレータＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５は、それぞれ圧力調整部３０からセンター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８、リテーナリング圧力室９に供給する圧力流体の圧力を調整する圧力調整機能を有している。圧力レギュレータＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５及び各バルブＶ１−１〜Ｖ１−３、Ｖ２−１〜Ｖ２−３、Ｖ３−１〜Ｖ３−３、Ｖ４−１〜Ｖ４−３、Ｖ５−１〜Ｖ５−３は、制御部５００（図１参照）に接続されていて、それらの作動が制御されるようになっている。また、流路２１、２２、２３、２４、２６にはそれぞれ圧力センサＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及び流量センサＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５が設置されている。

【0051】

センター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８、リテーナリング圧力室９に供給する流体の圧力は、圧力調整部３０及び圧力レギュレータＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５によってそれぞれ独立に調整される。このような構造により、半導体ウエハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウエハの領域毎に調整でき、かつリテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を調整できる。

【0052】

図３は、研磨テーブル１００の主要構成要素を示す模式的断面図である。研磨テーブル１００の内部には、その上面で開口する孔１０２が形成されている。また、研磨パッド１０１には、この孔１０２に対応する位置に通孔５１が形成されている。孔１０２と通孔５１とは連通している。通孔５１は研磨面１０１ａで開口している。孔１０２は液体供給路５３及びロータリージョイント５２を介して液体供給源５５に連結されている。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）が孔１０２に供給されるようになっている。水は、半導体ウエハＷの下面と通孔５１とによって形成される空間を満たし、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１００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の上に半導体ウエハＷが位置しないときは水の流れを止め、または水の流量を少なくするように動作する。

【0053】

研磨装置は、基板の膜厚を測定する膜厚測定部４０を備えている。膜厚測定部４０は、光を発する光源４４と、光源４４から発せられた光を半導体ウエハＷの表面に照射する投光部４１と、半導体ウエハＷから戻ってくる反射光を受光する受光部４２と、半導体ウエハ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４３と、分光器４３によって取得された測定データからスペクトルを生成し、このスペクトルに基づいて半導体ウエハＷの膜厚を決定する処理部４６とを備えた光学式の膜厚センサである。スペクトルは、所定の波長範囲に亘って分布する光の強度を示し、光の強度と波長との関係を示す。

【0054】

投光部４１及び受光部４２は、光ファイバーから構成されている。投光部４１及び受光部４２は、光学ヘッド（光学式膜厚測定ヘッド）４５を構成している。投光部４１は光源４４に接続されている。受光部４２は分光器４３に接続されている。光源４４としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ハロゲンランプ、キセノンフラッシュランプなど、複数の波長を持つ光を発する光源を用いることができる。投光部４１、受光部４２、光源４４、及び分光器４３は、研磨テーブル１００の内部に配置されており、研磨テーブル１００とともに回転する。投光部４１及び受光部４２は、研磨テーブル１００に形成された孔１０２内に配置されており、それぞれの先端は半導体ウエハＷの被研磨面の近傍に位置している。

【0055】

投光部４１及び受光部４２は、半導体ウエハＷの表面に対して垂直に配置されており、投光部４１は半導体ウエハＷの表面に垂直に光を照射する。投光部４１及び受光部４２は、トップリング１に保持された半導体ウエハＷの中心に対向して配置される。したがって、研磨テーブル１００が回転するたびに、投光部４１及び受光部４２の先端は半導体ウエハＷを横切って移動し、半導体ウエハＷの中心を含む領域に光が照射される。これは、投光部４１及び受光部４２が半導体ウエハＷの中心を通ることで、半導体ウエハＷの中心部の膜厚も含め、半導体ウエハＷの全面の膜厚を測定するためである。処理部４６は、測定された膜厚データを基に膜厚プロファイル（半径方向の膜厚分布）を生成することができる。処理部４６は、制御部５００（図１参照）に接続されており、生成した膜厚プロファイルを制御部５００に出力する。

【0056】

半導体ウエハＷの研磨中は、投光部４１から光が半導体ウエハＷに照射される。投光部４１からの光は、半導体ウエハＷの表面で反射し、受光部４２によって受光される。半導体ウエハＷに光が照射される間は、孔１０２及び通孔５１には水が供給され、これにより、投光部４１及び受光部４２の各先端と、半導体ウエハＷの表面との間の空間は水で満たされる。分光器４３は、受光部４２から送られてくる反射光を波長に従って分解し、波長ごとの反射光の強度を測定する。処理部４６は、分光器４３及によって測定された反射光の強度から、反射光の強度と波長との関係を示すスペクトルを生成する。さらに、処理部４６は、得られたスペクトルから、公知技術を用いて半導体ウエハＷの現在の膜厚プロファイル（残膜プロファイル）を推定する。

【0057】

研磨装置は、上記の光学式の膜厚センサからなる膜厚測定部４０に代えて、他の方式の膜厚測定部を備えていてよい。他の方式の膜厚測定部としては、例えば、研磨テーブル１００の内部に配置され、半導体ウエハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号を取得する渦電流式膜厚センサがある。渦電流式膜厚センサは、研磨テーブル１００と一体に回転し、トップリング１に保持された半導体ウエハＷの膜厚信号を取得する。渦電流式膜厚センサは図１に示す制御部５００に接続されており、渦電流式膜厚センサによって取得された膜厚信号は制御部５００に送られるようになっている。制御部５００は、膜厚を直接または間接に表す膜厚指標値を膜厚信号から生成する。

【0058】

渦電流式膜厚センサは、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ように構成される。渦電流センサとしては、特開２０１４−０１７４１８号公報に記載されている公知の渦電流センサを用いることができる。

【0059】

なお、上記の例では、研磨面１０１ａに通孔５１を設けるとともに、液体供給路５３、液体排出路５４、液体供給源５５を設け、孔１０２を水で満たしたが、これに代えて、研磨パッド１０１に透明窓を形成してもよい。この場合、投光部４１は、この透明窓を通じて研磨パッド１０１上の基板Ｗの表面に光を照射し、受光部４２は、透明窓を通じて半導体ウエハＷからの反射光を受光する。

【0060】

以上のように構成された研磨装置による研磨動作を説明する。トップリング１は基板受渡し装置（プッシャ）から半導体ウエハＷを受け取り、その下面に半導体ウエハＷを真空吸着により保持する。このとき、トップリング１は、被研磨面（通常はデバイスが構成される面、「表面」とも称する）を下向きにして、被研磨面が研磨パッド１０１の表面に対向するようにトップリング１を保持する。下面に半導体ウエハＷを保持したトップリング１は、トップリングヘッドシャフト１１７の回転によるトップリングヘッド１１０の旋回により半導体ウエハＷの受取位置から研磨テーブル１００の上方に移動される。

【0061】

そして、半導体ウエハＷを真空吸着により保持したトップリング１を予め設定したトップリングの研磨時設定位置まで下降させる。この研磨時設定位置では、リテーナリング３は研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに接地しているが、研磨前は、トップリング１で半導体ウエハＷを吸着保持しているので、半導体ウエハＷの下面（被研磨面）と研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａとの間には、わずかな間隙（例えば、約１ｍｍ）がある。このとき、研磨テーブル１００及びトップリング１は、ともに回転駆動されており、研磨テーブル１００の上方に設けられた研磨液供給ノズル１０２から研磨パッド１０１上に研磨液が供給されている。

【0062】

この状態で、半導体ウエハＷの裏面側にある弾性膜（メンブレン）４を膨らませ、半導体ウエハＷの被研磨面の裏面を押圧することで、半導体ウエハＷの被研磨面を研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに押圧し、半導体ウエハＷの被研磨面と研磨パッド１０１の研磨面とを相対的に摺動させて、半導体ウエハＷの被研磨面を所定の状態（例えば、所定の膜厚）になるまで研磨パッド１０１の研磨面１０１ａで研磨する。研磨パッド１０１上でのウエハ処理工程の終了後、半導体ウエハＷをトップリング１に吸着し、トップリング１を上昇させ、基板搬送機構を構成する基板受渡し装置へ移動させて、ウエハＷの離脱（リリース）を行う。

【0063】

次に、膜厚測定部４０により測定された膜厚プロファイルに基づく研磨動作の制御について説明する。図４は、研磨動作の制御のための研磨装置の構成を示す図である。研磨装置は、研磨制御装置５０１と閉ループ制御装置５０２を備えている。研磨制御装置５０１と閉ループ制御装置５０２は、上述の制御部５００（図１参照）に相当する。

【0064】

図５は、本実施の形態の研磨装置の研磨制御のフロー図である。研磨装置が研磨を開始すると、膜厚測定部４０は、残膜プロファイルを推定して、推定値を閉ループ制御装置５０２に出力する（ステップＳ６１）。閉ループ制御装置５０２は、残膜プロファイルが目標とする膜厚プロファイルになったか否かを判断する（ステップＳ６２）。膜厚測定部４０で推定された残膜プロファイルが目標膜厚プロファイルになっている場合は（ステップＳ６２にてＹＥＳ）、研磨処理を終了する。ここで、目標膜厚プロファイルは、完全なフラットな形状（全面において均一の膜厚）であっても、凹凸や勾配を有する形状であってもよい。

【0065】

推定された残膜プロファイルが目標膜厚プロファイルになっていない場合は（ステップＳ６２にてＮＯ）、閉ループ制御装置５０２は、推定された残膜プロファイルに基づいて、センター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８、リテーナリング圧力室９（以下、総称して「圧力室」と称する）に供給する流体の圧力のパラメータ（圧力パラメータ）を算出して、研磨制御装置５０１に出力する（ステップＳ６３）。研磨制御装置５０１は、圧力パラメータに従って、各圧力室に供給する流体の圧力を調整する（ステップＳ６４）。研磨装置は、推定された残膜プロファイルが目標膜厚プロファイルになるまで（ステップＳ６２でＮＯになるまで）、上記のステップＳ６１〜６４を一定の周期で繰り返す。なお、圧力室は、本発明の押圧部に相当する。

【0066】

以下では、上記のステップＳ６３における残膜プロファイルに基づく各圧力室の圧力パラメータの算出について、半導体ウエハＷのエッジ領域に関わる部分を例に説明する。まず、閉ループ制御装置５０２は、エッジ領域研磨レートＭＲＲ＿Ｅｄｇｅに対する既知の関係を取得する。エッジ領域研磨レートＭＲＲ＿Ｅｄｇｅと各圧力室の圧力パラメータとの関係は、一般的に、関数Ｆを用いて下式（１）によって表される。
ＭＲＲ＿Ｅｄｇｅ＝Ｆ（ＡＰ＿Ｅｄｇｅ，ＲＲＰ，ｅｔｃ．．．） …（１）
ここで、ＡＰ＿Ｅｄｇｅはエッジ領域の圧力室であるエッジ室８の圧力（エッジ室圧力）である。また、ＲＲＰは、リテーナリング圧力室９の圧力（リテーナリング圧力）である。エッジ領域の研磨レートに影響するその他のパラメータ（式（１）の「ｅｔｃ」）としては、例えば、エッジ室８より半導体ウエハＷの中心側に隣接する圧力室であるアウター室７の圧力等である。

【0067】

この関数Ｆは、一般的には、各パラメータの一次式、又はそのような一次式の各パラメータの交互作用を含めた統計的重回帰式であるが、各パラメータのｎ次式等の特殊な関数であってもよい。なお、いずれの場合も各パラメータに付随する定数は既知である必要がある。

【0068】

次に、閉ループ制御装置５０２は、制御したい領域であるエッジ領域に対する研磨中の各時点での目標研磨レートＭＲＲ＿Ｔｇｔを、閉ループ制御装置５０２における計算値から取得する。そして、閉ループ制御装置５０２は、得られた目標研磨レートＭＲＲ＿Ｔｇｔを式（１）に代入して式変形をすることで、下式（２）のように各時点のリテーナリング圧力ＲＲＰを求める。
ＲＲＰ＝Ｇ（ＭＲＲ＿Ｔｇｔ，ＡＰ＿Ｅｄｇｅ，ｅｔｃ．．．） …（２）

【0069】

閉ループ制御装置５０２は、上式（２）で算出されたリテーナリング圧力ＲＲＰが限界値を下回っていないかを判断し、算出されたリテーナリング圧力ＲＲＰが限界値を下回っている場合は、限界値を優先して採用する。この限界値は、リテーナリング圧力ＲＲＰがそれを下回るともはやリテーナリング３が半導体ウエハＷを保持できなくなるおそれがある値として設定され、限界値を優先することで、半導体ウエハＷがリテーナリグからスリップアウトすることを防止できる。限界値としては、絶対値を採用することもできるし、各圧力室の圧力の平均に応じた値（例えば、平均に１以下の所定の係数をかけた値）とすることもできる。

【0070】

上記のように、本実施の形態の研磨装置では、半導体ウエハＷの研磨中のエッジ室８の圧力ＡＰ＿Ｅｄｇｅを調整することによるエッジ領域の押圧の制御だけでなく、エッジ室８の周辺部として半導体ウエハＷの被研磨面の研磨面１０１ａに対する研磨圧力（押圧力）に影響を与えるリテーナリング３の圧力ＲＲＰを制御する。即ち、通常は半導体ウエハＷのエッジ領域の研磨レートは、研磨パッドのリバウンド等の影響を受け、これに対応する為にリテーナリング圧力等の付随する制御パラメータを持っているが、従来は、このような付随する制御パラメータについては、研磨中のリアルタイム制御を行っていなかった。これに対して、本実施の形態の研磨装置は、図６に示すように、半導体ウエハＷのエッジ領域の研磨制御のために、研磨中に、当該領域に対応する圧力室であるエッジ室８の圧力ＡＰ＿Ｅｄｇｅを変化させるだけでなく、エッジ室８と各圧力室の圧力パラメータとエッジ領域研磨レートの関係から、その周辺部のリテーナリング３の圧力ＲＲＰも変化させる。これによって、所望の膜厚プロファイルを高精度に達成することができる。

【0071】

なお、研磨中に半導体ウエハの膜厚を測定して、複数の圧力室の圧力をそれぞれ制御することで、膜厚プロファイルをリアルタイム制御し、所望の膜厚プロファイルを達成する研磨装置がすでに提案されているが、これと比較すると、本実施の形態は、上記のように、単に弾性膜４の圧力をリアルタイムに制御するだけでなく、その周辺部であるリテーナリング３もリアルタイムに制御するので、より精密な膜厚プロファイルの制御を行うことができる。

【0072】

以下、上記の圧力パラメータの算出の具体例を説明する。図７は、トップリング１の主要構成要素を示す模式的断面図である。図７に示すように、半導体ウエハＷにおいて、アウター室７に対応する領域（半径１３０〜１４０ｍｍ）を領域Ａ７とする。エッジ室８に対応する領域Ａ８（半径１４０〜１４８ｍｍ）は、エッジ室８の圧力ＡＰ＿８だけが研磨圧力に影響する領域Ａ８−１（半径１４０〜１４５ｍｍ）と、エッジ室８の圧力ＡＰ＿８及びリテーナリング３の圧力ＲＲＰが影響する領域Ａ８−２（半径１４５〜１４８ｍｍ）とに分けられる。

【0073】

各時点の領域Ａ８−１の研磨レートをＭＲＲ＿８（ｔ）、領域Ａ８−２の研磨レートをＭＲＲ＿Ｅｄｇｅ（ｔ）と表記すると、まず、領域Ａ８−１の研磨レートＭＲＲ＿８（ｔ）は、エッジ室８の圧力ＡＰ＿８（ｔ）に比例する。領域Ａ８−２の研磨レートＭＲＲ＿Ｅｄｇｅ（ｔ）は、ＡＰ＿８（ｔ）とＲＲＰ（ｔ）を変数とする関数によって求められるが、ここでは、実験的に、下式（３）のようにＡＰ＿８（ｔ）とＲＲＰ（ｔ）の一次式で求まることが分かっているとする。
ＭＲＲ＿Ｅｄｇｅ（ｔ）＝ａ×ＡＰ＿８（ｔ）＋ｂ×ＲＲＰ（ｔ）＋ｃ …（３）
ここで、ａ、ｂ、ｃは、それぞれ実験的に求められた定数である。

【0074】

また、閉ループ制御装置５０２によって、各時点での領域Ａ８−１の制御圧力ＡＰ＿８（ｔ）が求められる。時刻ｔでの目標研磨レートＭＲＲ＿８（ｔ）は、この制御圧力ＡＰ＿８（ｔ）を用いて、下式（４）のように算出される。
ＭＲＲ＿８（ｔ）＝Ｇ＿８×ＡＰ＿８（ｔ） …（４）
ここで、Ｇ＿８はエリア８の圧力の研磨レートに対するゲインである。

【0075】

半導体ウエハＷの領域Ａ８を平坦化するためには、領域Ａ８−１の研磨レートと領域Ａ８−２の研磨レートとを等しくすればよい。即ち、下式（５）を満足すればよい。
ＭＲＲ＿Ｅｄｇｅ（ｔ）＝ＭＲＲ＿８（ｔ） …（５）
式（５）に式（３）及び式（４）を代入すると、下式（６）を得る。
ａ×ＡＰ＿８（ｔ）＋ｂ×ＲＲＰ（ｔ）＋ｃ＝Ｇ＿８×ＡＰ＿８（ｔ） …（６）
式（６）を変形すると、下式（７）のように、各時点のリテーナリング圧力ＲＲＰ（ｔ）が得られる。
ＲＲＰ（ｔ）＝１／ｂ×（Ｇ＿８−ａ）×ＡＰ＿８（ｔ）−ｃ／ｂ …（７）

【0076】

なお、この式（７）は、上記で一般的に示した式（２）に相当するものであり、半導体ウエハＷのエッジ領域Ａ８を平坦化するために、領域Ａ８に対応するエッジ室８の圧力ＡＰ＿８（ｔ）のみならず、それに合わせてリテーナリング圧力ＲＲＰ（ｔ）もリアルタイム制御を行うことを意味している。

【0077】

以上では、研磨中の各時点において、エッジ室および周辺部リテーナリングの圧力とエッジ領域の研磨レートとの関係式から、リテーナリングの圧力ＲＲＰ（ｔ）を決定する方法を示した。しかし、周辺部の圧力の決定方法はこれに限らない。以下に、周辺部の圧力の決定方法の別の例を説明する。

【0078】

いま、式（３）の各圧力室の圧力と研磨レートとの関係式を一般化して表現すると下式（８）によって表現できる。

【数1】

ここで、ＭＲＲ＿ｉ（ｔ）は、図８に示すように中心を１として昇順になるよう番号付けされた基板面同心円状の領域ｉにおける研磨レートを表わす。また、ＡＰ＿ｊは圧力ｊを表わし、中心から順に、センター室がｊ＝１、リプル室がｊ＝２というように番号付けされ、エッジ室の次には１つ以上の周辺部の圧力が割り当てられるものとする。ａ_ijは各圧力に対する各領域の研磨レートの関係を示す比例定数であり、ｂ_iは領域ｉに関する研磨レートのオフセット量である。基板中心側では研磨レートが概ね対向する圧力室の圧力に応じて決まるため、領域ｉを圧力室に対応して定義すればよく、周辺部においては、膜厚プロファイルの急な変化を表わせるよう細かく分割するのが好ましい。

【0079】

このとき、ＭＲＲ（ｔ）を長さＩの縦ベクトル、ＡＰ（ｔ）を長さＪの縦ベクトル、ＡをＩ×Ｊの行列、Ｂを長さＩの縦ベクトルとすると、ＭＲＲ（ｔ）は下式（９）のように表現できる。
ＭＲＲ（ｔ）＝Ａ・ＡＰ（ｔ）＋Ｂ …（９）
行列Ａは、基板中心側、すなわち左上の部分においては対角行列に近い比較的疎な形をしており、基板端側、すなわち右下の部分では周辺部圧力の影響を表わすため比較的密になる。行列Ａの各要素は、前述のように各圧力を変化させた実験および重回帰分析によって決定できる。あるいは、基板中心側の各領域に関しては、研磨レートが対向する圧力室の圧力によって殆ど決まるので、サンプルウェハを研磨したときの当該領域の研磨レートと対向する圧力室の圧力とから、対応する要素の値を決めることにしてもよい。ここで、研磨レートのオフセットを無視できる場合には、ベクトルＢの対応する要素を０にする。

【0080】

以上のようにして、式（９）の各圧力に対する研磨レートの関係式が求められると、これに基づいて、残膜厚の分布に関し基板周辺部を含む閉ループ制御を構成することができる。以下には、式（９）の関係に加え、さらに、ウエハ表面各領域の研磨レート（単位時間当たりの膜厚の減少量）の各圧力に対する応答がむだ時間と一次遅れを持つとの仮定を置いて、モデル予測制御を適用する例について説明する。膜厚ｙ（ｋ）は、ｆ₁を適当な関数として用いて、下式（１０）によって表される。
ｙ（ｋ）＝ｙ（０）−Ａ・ｆ₁（ｋ，Δｔ，ｔ_D，α，ｕ₀，Δｕ（１），Δｕ（２），…，Δｕ（ｋ−１））−ｋΔｔ・Ｂ …（１０）
ただし、 ｙ（ｋ）は膜厚であって、長さＩの列ベクトルであり、Ａは圧力に対する研磨レートの比例定数であって、サイズＩ×Ｊの行列であり、ｋは離散時間であって、ｋ＝０，１，２，…であり、Δｔは時間刻み（制御周期）であり、ｔ_Dは応答のむだ時間であり、αは応答の時定数であり、ｕ₀は初期圧力であって、長さＪの列ベクトルであり、Δｕ（ｋ）は時刻ｋにおける圧力の変化量であって、長さＪの列ベクトルである。

【0081】

時刻ｋにおける膜厚のｐ段先の予測値は、ｆ₂及びｆ₃を適当な関数として用いて下式（１１）〜（１３）のように表される。
ｙ_P（ｋ，ｐ）＝ｙ_O（ｋ，ｐ）＋ｙ_F（ｋ，ｐ） …（１１）
ｙ_O（ｋ，ｐ）＝ｙ（ｋ）−Ａ・ｆ₂（ｋ，Δｔ，ｔ_D，α，ｕ₀，Δｕ（１），Δｕ（２），…，Δｕ（ｋ−１），ｐ）−ｐΔｔ・Ｂ …（１２）
ｙ_F（ｋ，ｐ）＝−Ａ・ｆ₃（ｋ，Δｔ，ｔ_D，α，Δｕ（ｋ），Δｕ（ｋ＋１），…，Δｕ（ｋ＋ｐ−１），ｐ） …（１３）
ただし、ｙ_P（ｋ，ｐ）は、時刻ｋにおける膜厚のｐ段先の予測値であって、長さＩの列ベクトルであり、ｙ_O（ｋ，ｐ）は、過去の操作量（圧力）によって定まる確定項であって、長さＩの列ベクトルであり、ｙ_F（ｋ，ｐ）は、現時点以降の操作量（圧力）によって定まる未確定項であって、長さＩの列ベクトルである。

【0082】

そこで、
Ｙ_P（ｋ，Ｐ）＝［ｙ_P（ｋ，１）^T，ｙ_P（ｋ，２）^T，…，ｙ_P（ｋ，Ｐ）^T］^T …（１４）
Ｙ_O（ｋ，Ｐ）=［ ｙ_O（ｋ，１）^T，ｙ_O（ｋ，２）^T，…，ｙ_O（ｋ，Ｐ）^T］^T …（１５）
ΔＵ_Q＝［Δｕ（ｋ）^T，Δｕ（ｋ＋１）^T，…，Δｕ（ｋ＋Ｑ−１）^T］^T …（１６）
とおき、Ψを（Ｉ×Ｐ）×（Ｊ×Ｑ）の適当な行列として用いると、膜厚のＰ段先までの予測値Ｙ_P（ｋ，Ｐ）は下式（１７）のように表わされる。
Ｙ_P（ｋ，Ｐ）=Ｙ_O（ｋ，Ｐ）−ΨΔＵ_Q …（１７）
ここで、十分な時間が経過した後の操作量（圧力）の変化を抑えるために、１≦Ｑ≦Ｐの条件下で、下式（１８）を仮定している。
Δｕ（ｋ＋Ｑ）＝Δｕ（ｋ＋Ｑ＋１）＝…＝Δｕ（ｋ＋Ｐ−１）＝０ …（１８）
もし、Ｑ＝Ｐであれば、式（１８）はΔｕ（ｋ＋Ｑ）＝０と解釈される。

【0083】

以上の準備をした後、モデル予測制御の参照軌道が定義される。図９に示すように、ｙ_S0（ｋ）は各時刻ｋにおける目標の膜厚を表し、βは所定の１次遅れの時定数を表している。モデル予測制御の参照軌道Ｙ_R（ｋ，Ｐ）は、次のように定義される。
Ｙ_R（ｋ，Ｐ）＝［ｙ_R（ｋ，１）^T，ｙ_R（ｋ，２）^T，…，ｙ_R（ｋ，Ｐ）^T］^T …（１９）
ｙ_R（ｋ，ｐ）＝ｙ_S（ｋ＋ｐ）＋ｅｘｐ（−ｐΔｔ／β）［ｙ（ｋ）−ｙ_S（ｋ）］ …（２０）
ｙ_S（ｋ＋ｐ）＝［ｙ_S0（ｋ＋ｐ），ｙ_S0（ｋ＋ｐ），…，ｙ_S0（ｋ＋ｐ）］^T …（２１）
ここで、式（２１）は、長さＩの列ベクトルである。

【0084】

操作量（圧力）の変化を抑えつつ、制御量（膜厚）を参照軌道に沿って目標軌道に漸近させるための評価関数Ｊは、次のように定義できる。
Ｊ＝‖Ｙ_R（ｋ，Ｐ）−Ｙ_P（ｋ，Ｐ）‖²_ΓTΓ＋‖ΔＵ_Q‖²_ΛTΛ
＝‖Ｙ_R（ｋ，Ｐ）−Ｙ_O（ｋ，Ｐ）＋ΨΔＵ_Q‖²_ΓTΓ＋‖ΔＵ_Q‖²_ΛTΛ …（２２）
ただし、‖Ｘ‖²_A＝Ｘ^TＡＸ …（２３）

【数2】

式（２４）のγ_p（ｐ＝１，…，Ｐ）は、時刻（ｋ＋ｐ）における予測値の参照軌道からのずれに対する重みを表わすＩ×Ｉの対角行列であり、式（２５）のλ_q（ｑ＝１，…，Ｑ）は、時刻（ｋ＋ｑ−１）における操作量変化に対する重みを表わすＪ×Ｊの対角行列である。

【0085】

操作量（圧力）には、通常、上下限値、１回当りの変化量の上下限、あるいは、隣接する圧力室間の圧力差の上限などの制約条件が設けられている。このとき、式（１３）のＪの値を最小にする操作量ΔＵ_Qは、最適化法の一種である二次計画法によって求めることができる。このようにすれば、各制御周期において、各圧力室及び周辺部の圧力の操作量が同時に最適値として決定されるため、より精度の高い制御を実現することが期待される。

【0086】

なお、式（１０）およびそれ以降の記載において、ｙ（ｋ）は膜厚の大小を相対的に表わすものであれば必ずしも絶対値でなくてもよい。例えば、サンプルウェハを研磨したときの研磨終了までの残り時間で膜厚を相対的に表すことができる。このような場合、行列ＡやベクトルＢは適宜矛盾のないように変換される。

【0087】

以上説明した具体例では、１つの圧力室（エッジ室８）に対応する領域（領域Ａ８）内での研磨レートの不均衡を是正して平坦度を向上させることができる。即ち、複数の圧力室に分けられた弾性膜を用いて半導体ウエハＷを領域ごとに分けて研磨パッドに押圧する場合において、領域内にて残膜プロファイルに無視できないばらつきがあると、該当する領域の圧力室からの圧力だけでは、そのようなばらつきを解消できないことがあり、この傾向は特に半導体ウエハＷのエッジ領域において顕著である。

【0088】

その際、各圧力室の圧力だけでなくリテーナリング圧力等の周辺部のパラメータも制御することで当該エリアの残存プロファイルを制御することが行われているが、この考えは研磨中のリアルタイム制御機能に対しては考慮されていなかった。これに対して、上記の実施の形態では、リアルタイム制御を実施するパラメータに、エッジ領域の研磨レートや残膜プロファイルに影響するリテーナリング圧力等の周辺部のパラメータを組み込むことにより、エッジ領域のプロファイル制御に対する上記の課題を解決している。このような実施の形態のプロファイル制御は、特に、膜厚プロファイルの制御が困難なエッジ部について有効である。以上のように、本発明の実施の形態の研磨装置によれば、研磨対象物である半導体ウエハをその最外周部まで精度よく研磨できる。

【0089】

なお、上記の実施の形態では、エッジ領域である領域Ａ８を平坦化するために、エッジ室８の圧力ＡＰ＿８とともに、その周辺部として外側にあるリテーナリング３のリテーナリング圧力ＲＲＰを制御したが、これに加えて、又はこれに代えて、エッジ室８の周辺部としてその内側にあるアウター室７の圧力ＡＰ＿７を制御してもよい。

【0090】

また、上記の実施の形態では、エッジ領域である領域８を平坦化する例を説明したが、他の領域の膜厚プロファイルを制御する場合にも、上記と同様に本発明を適用することができる。例えば、アウター室７を平坦化するために、アウター室７の圧力ＡＰ＿７とともに、その周辺部として外側にあるエッジ室８の圧力ＡＰ＿８を制御してもよい。

【0091】

また、上記の実施の形態では、ある領域を平坦化するために、その領域に対応する圧力室の圧力とともに、その周辺にある圧力室の圧力を制御したが、これに加えて、又はこれに代えて、周辺にある他の部材のパラメータを制御してもよい。制御対象となる領域の周辺部は、例えば、弾性膜４の全体の高さ（メンブレンハイト）を調整することで弾性膜４の変形又は弾性膜４の変形による半導体ウエハ基板Ｗの被研磨面の圧力を制御する機構であってよい。

【0092】

また、上記の実施の形態では、各圧力室の圧力パラメータを閉ループ制御装置５０２で算出したが、これを研磨制御装置５０１で行ってもよい。この場合は、残膜プロファイルから圧力パラメータを計算するための定数等が閉ループ制御装置５０２から研磨制御装置５０１に受け渡されてもよい。

【0093】

また、上記の実施の形態では、弾性膜からなる圧力室を半導体ウエハの被研磨面の裏面を押圧する押圧部としたが、本発明の押圧部は、これに限られず、半導体ウエハの裏面への押圧力を制御可能な他の構造（例えば、ばね）であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0094】

本発明は、研磨対象物を精度よく研磨できるという効果を有し、半導体ウエハなどの研磨対象物を研磨して所望の膜厚プロファイルを得る研磨装置等として有用である。

【符号の説明】

【0095】

１ トップリング（基板保持装置）
２ トップリング本体
３ リテーナリング
４ 弾性膜（メンブレン）
４ａ 隔壁
５ センター室
６ リプル室
７ アウター室
８ エッジ室
９ リテーナリング圧力室
１１、１２、１３、１４、１５ 流路
２１、２２、２３、２４、２６ 流路
２５ ロータリージョイント
３１ 真空源
３２ 弾性膜（メンブレン）
３３ シリンダ
３５ 気水分離槽
Ｖ１−１〜Ｖ１−３、Ｖ２−１〜Ｖ２−３、Ｖ３−１〜Ｖ３−３、Ｖ４−１〜Ｖ４−３、Ｖ５−１〜Ｖ５−３ バルブ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５ 圧力レギュレータ
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５ 圧力センサ
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５ 流量センサ
４０ 膜厚測定部
４１ トップリングフランジ
４２ 受光部
４３ 分光器
４４ 光源
４５ 光学ヘッド（光学式膜厚測定ヘッド）
４６ 処理部
５１ 通孔
５２ ロータリージョイント
５３ 液体供給路
５４ 液体排出路
５５ 液体供給源
６０ 研磨液供給ノズル
１００ 研磨テーブル
１０１ 研磨パッド
１０１ａ 研磨面
１０２ 孔
１１０ トップリングヘッド
１１１ トップリングシャフト
１１２ 回転筒
１１３ タイミングプーリ
１１４ トップリング用回転モータ
１１５ タイミングベルト
１１６ タイミングプーリ
１１７ トップリングヘッドシャフト
１２４ 上下動機構
１２６ 軸受
１２８ ブリッジ
１２９ 支持台
１３０ 支柱
１３１ 真空源
１３２ ボールねじ
１３２ａ ねじ軸
１３２ｂ ナット
１３８ ＡＣサーボモータ
５００ 制御部
５０１ 研磨制御装置
５０２ 閉ループ制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】