特開 2024-78709 ワークピースの研磨レートの応答性プロファイルを作成する方法、および研磨方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024078709

(43)【公開日】2024-06-11

(54)【発明の名称】ワークピースの研磨レートの応答性プロファイルを作成する方法、および研磨方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/304 20060101AFI20240604BHJP

   B24B 37/30 20120101ALI20240604BHJP

   B24B 37/005 20120101ALI20240604BHJP

【ＦＩ】

H01L21/304 622R

B24B37/30 E

B24B37/005 A

H01L21/304 621D

H01L21/304 622K

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022191204

(22)【出願日】2022-11-30

(71)【出願人】

【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】100118500

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 哲也

(74)【代理人】

【氏名又は名称】渡邉 勇

(74)【代理人】

【識別番号】100174089

【弁理士】

【氏名又は名称】郷戸 学

(74)【代理人】

【識別番号】100186749

【弁理士】

【氏名又は名称】金沢 充博

(72)【発明者】

【氏名】山木 暁

(72)【発明者】

【氏名】八木 圭太

(72)【発明者】

【氏名】中村 顕

(72)【発明者】

【氏名】白川 滉大

【テーマコード（参考）】

3C158

5F057

【Ｆターム（参考）】

3C158AA07

3C158AC02

3C158AC04

3C158BA04

3C158BA07

3C158BA09

3C158BB08

3C158BB09

3C158CB01

3C158DA12

3C158DA17

3C158EA11

3C158EA14

3C158EB01

5F057AA16

5F057CA12

5F057DA03

5F057FA19

5F057GA02

5F057GA16

5F057GA17

5F057GB02

5F057GB13

(57)【要約】

【課題】ウェーハなどのワークピースを研磨パッドに押し付ける圧力の変化に対する研磨レートの応答性を正確に取得することができる方法を提供する。
【解決手段】本方法は、研磨ヘッド７の第１圧力室内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す推定研磨レート応答性プロファイルをシミュレーションを用いて作成し、第２圧力室内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す実研磨レート応答性プロファイルをワークピースの研磨結果を用いて作成し、推定研磨レート応答性プロファイルと実研磨レート応答性プロファイルを組み合わせることにより、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体デバイスの製造に使用されるワークピースを、第１圧力室および第２圧力室が内側に形成された弾性膜で研磨パッドに押し付けたときの前記第１圧力室および前記第２圧力室内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す研磨レート応答性プロファイルを作成する方法であって、
前記第１圧力室内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す推定研磨レート応答性プロファイルをシミュレーションを用いて作成し、
前記第２圧力室内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す実研磨レート応答性プロファイルをワークピースの研磨結果を用いて作成し、
前記推定研磨レート応答性プロファイルと前記実研磨レート応答性プロファイルを組み合わせることにより、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する、方法。

【請求項2】

前記推定研磨レート応答性プロファイルを作成する工程は、
前記第１圧力室内の単位圧力の変化に応答して変化した、第１ワークピースから前記研磨パッドに加えられる押し付け圧力の分布を示す押し付け圧力応答性プロファイルをシミュレーションにより算定し、
前記第１圧力室内が所定の圧力に維持された状態で、前記第１ワークピースを前記研磨パッドに押し付けて前記第１ワークピースを研磨し、
前記研磨された第１ワークピースの研磨レートの分布を示す研磨レートプロファイルを作成し、
前記押し付け圧力応答性プロファイルと、前記所定の圧力と、前記研磨レートプロファイルに基づいて、前記推定研磨レート応答性プロファイルを作成することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記推定研磨レート応答性プロファイルを作成する工程は、
前記押し付け圧力応答性プロファイルに前記所定の圧力および研磨レート係数を乗算して仮想研磨レートプロファイルを作成し、
前記研磨レートプロファイルと前記仮想研磨レートプロファイルとの差を最小とする前記研磨レート係数を決定し、
前記押し付け圧力応答性プロファイルに前記決定された研磨レート係数を乗算して前記推定研磨レート応答性プロファイルを作成することを含む、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記押し付け圧力応答性プロファイルを算定する工程は、
前記第１圧力室内に第１圧力を持つ気体を供給したときの第１押し付け圧力の分布と、前記第１圧力室内に第２圧力を持つ気体を供給したときの第２押し付け圧力の分布をシミュレーションにより算定し、
前記第１ワークピース上の半径方向の各位置において、前記第１押し付け圧力と前記第２押し付け圧力との差を、前記第１圧力と前記第２圧力との差で割り算することで、前記第１圧力室内の気体の単位圧力の変化に応答して変化した押し付け圧力を算定する工程を含む、請求項２に記載の方法。

【請求項5】

前記実研磨レート応答性プロファイルを作成する工程は、
前記第２圧力室内の圧力を変化させながら、第２ワークピースを前記研磨パッドに押し付けて前記第２ワークピースを研磨し、
前記第２圧力室内の異なる圧力に対応する前記第２ワークピースの複数の研磨レートを算定し、
前記第２圧力室内の圧力の変化に対する研磨レートの応答性を算定することを含む、請求項２に記載の方法。

【請求項6】

前記推定研磨レート応答性プロファイルおよび前記実研磨レート応答性プロファイルを作成する工程は、
前記第１圧力室内が所定の第１圧力に維持され、かつ前記第２圧力室内が所定の第２圧力に維持された状態で、第１ワークピースを前記研磨パッドに押し付けて前記第１ワークピースを研磨し、
前記研磨された第１ワークピースの研磨レートの分布を示す実研磨レートプロファイルを作成し、
前記第１圧力、第１研磨レート係数、シミュレーションにより算定された押し付け圧力応答性プロファイルに基づいて第１研磨レートプロファイルを作成し、
前記第２圧力、第２研磨レート係数、第２ワークピースの研磨結果から作成された暫定的な研磨レート応答性プロファイルに基づいて第２研磨レートプロファイルを作成し、
前記第１研磨レートプロファイルと前記第２研磨レートプロファイルとを組み合わせて、第３研磨レートプロファイルを作成し、
前記実研磨レートプロファイルと前記第３研磨レートプロファイルとの差を最小とする前記第１研磨レート係数および前記第２研磨レートを決定し、
前記決定された第１研磨レート係数を前記押し付け圧力応答性プロファイルに乗算して前記推定研磨レート応答性プロファイルを作成し、
前記決定された第２研磨レート係数を前記暫定的な研磨レート応答性プロファイルに乗算して前記実研磨レート応答性プロファイルを作成することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記押し付け圧力応答性プロファイルを算定する工程は、
前記第１圧力室内に第３圧力を持つ気体を供給したときの第１押し付け圧力の分布と、前記第１圧力室内に第４圧力を持つ気体を供給したときの第２押し付け圧力の分布をシミュレーションにより算定し、
前記第１ワークピース上の半径方向の各位置において、前記第１押し付け圧力と前記第２押し付け圧力との差を、前記第３圧力と前記第４圧力との差で割り算することで、前記第１圧力室内の気体の単位圧力の変化に応答して変化した押し付け圧力を算定する工程を含む、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法によって作成された前記ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを用いてワークピースの研磨条件を最適化し、
前記最適化された研磨条件の下で、前記ワークピースを前記弾性膜で前記研磨パッドに押し付けて前記ワークピースを研磨する、研磨方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体デバイスの製造に使用されるウェーハ、基板、パネルなどのワークピースを研磨する技術に関し、特に、ワークピースを研磨パッドに押し付ける圧力の変化に対する研磨レートの応答性を算定する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

化学機械研磨（以下、ＣＭＰという）は、シリカ（ＳｉＯ_２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド上に供給しつつワークピース（例えば、ウェーハ、基板、またはパネルなど）を研磨パッドに摺接させて該ワークピースを研磨するプロセスである。このＣＭＰを行うための研磨装置は、研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルと、ワークピースを研磨パッドに押し付けるための研磨ヘッドを備えている。

【0003】

研磨ヘッドは、圧力室を形成する弾性膜でワークピースを研磨パッドに押し付けるように構成されている。圧力室内には加圧された気体が供給され、気体の圧力は、弾性膜を介してワークピースに加えられる。したがって、ワークピースが研磨パッドに押し付けられる力は、圧力室内の圧力によって調節できる。

【0004】

研磨装置は、次のようにしてワークピースを研磨する。研磨テーブルおよび研磨パッドを一体に回転させながら、研磨液（典型的にはスラリー）を研磨パッドの研磨面に供給する。研磨ヘッドはワークピースを回転させながら、ワークピースの表面を研磨パッドの研磨面に対して押し付ける。ワークピースは、研磨液の存在下で研磨パッドに摺接される。ワークピースの表面は、研磨液の化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒および研磨パッドの機械的作用により、研磨される。

【0005】

ワークピースの膜厚は、研磨時間に伴って徐々に減少する。ワークピースの膜厚が減少する速度は、しばしば研磨レートで表される。研磨レートは、研磨により単位時間あたりに減少するワークピースの表面材料の量であり、減少する量は厚さで表される。研磨レートは、除去レートとも呼ばれる。

【0006】

ＣＭＰプロセスを最適化するためには、研磨ヘッドの圧力室内の圧力変化に対するワークピースの研磨レートの応答性を把握することが重要である。研磨レートの応答性とは、圧力室内の単位圧力の変化に応答した研磨レートの変化をいう。研磨レートの応答性を知ることができれば、目標プロファイルを達成するために必要な研磨レートでワークピースを研磨することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００６－４３８７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

研磨レートは、基本的に、以下のようなプレストンの法則に従うことが知られている。
研磨レート∝押し付け圧力×相対速度
しかしながら、研磨ヘッドの弾性膜からワークピースに加えられる押し付け力は、弾性膜の押し付け面内で一定ではなく、また、温度、研磨パッド、研磨液など様々な要因で変化する。

【0009】

そこで、本発明は、ウェーハなどのワークピースを研磨パッドに押し付ける圧力の変化に対する研磨レートの応答性を正確に取得することができる方法を提供する。また、本発明は、研磨レート応答性プロファイルを利用してワークピースを研磨する研磨方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

一態様では、半導体デバイスの製造に使用されるワークピースを、第１圧力室および第２圧力室が内側に形成された弾性膜で研磨パッドに押し付けたときの前記第１圧力室および前記第２圧力室内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す研磨レート応答性プロファイルを作成する方法であって、前記第１圧力室内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す推定研磨レート応答性プロファイルをシミュレーションを用いて作成し、前記第２圧力室内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す実研磨レート応答性プロファイルをワークピースの研磨結果を用いて作成し、前記推定研磨レート応答性プロファイルと前記実研磨レート応答性プロファイルを組み合わせることにより、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する、方法が提供される。

【0011】

一態様では、前記推定研磨レート応答性プロファイルを作成する工程は、前記第１圧力室内の単位圧力の変化に応答して変化した、第１ワークピースから前記研磨パッドに加えられる押し付け圧力の分布を示す押し付け圧力応答性プロファイルをシミュレーションにより算定し、前記第１圧力室内が所定の圧力に維持された状態で、前記第１ワークピースを前記研磨パッドに押し付けて前記第１ワークピースを研磨し、前記研磨された第１ワークピースの研磨レートの分布を示す研磨レートプロファイルを作成し、前記押し付け圧力応答性プロファイルと、前記所定の圧力と、前記研磨レートプロファイルに基づいて、前記推定研磨レート応答性プロファイルを作成することを含む。
一態様では、前記推定研磨レート応答性プロファイルを作成する工程は、前記押し付け圧力応答性プロファイルに前記所定の圧力および研磨レート係数を乗算して仮想研磨レートプロファイルを作成し、前記研磨レートプロファイルと前記仮想研磨レートプロファイルとの差を最小とする前記研磨レート係数を決定し、前記押し付け圧力応答性プロファイルに前記決定された研磨レート係数を乗算して前記推定研磨レート応答性プロファイルを作成することを含む。

【0012】

一態様では、前記押し付け圧力応答性プロファイルを算定する工程は、前記第１圧力室内に第１圧力を持つ気体を供給したときの第１押し付け圧力の分布と、前記第１圧力室内に第２圧力を持つ気体を供給したときの第２押し付け圧力の分布をシミュレーションにより算定し、前記第１ワークピース上の半径方向の各位置において、前記第１押し付け圧力と前記第２押し付け圧力との差を、前記第１圧力と前記第２圧力との差で割り算することで、前記第１圧力室内の気体の単位圧力の変化に応答して変化した押し付け圧力を算定する工程を含む。
一態様では、前記実研磨レート応答性プロファイルを作成する工程は、前記第２圧力室内の圧力を変化させながら、第２ワークピースを前記研磨パッドに押し付けて前記第２ワークピースを研磨し、前記第２圧力室内の異なる圧力に対応する前記第２ワークピースの複数の研磨レートを算定し、前記第２圧力室内の圧力の変化に対する研磨レートの応答性を算定することを含む。

【0013】

一態様では、前記推定研磨レート応答性プロファイルおよび前記実研磨レート応答性プロファイルを作成する工程は、前記第１圧力室内が所定の第１圧力に維持され、かつ前記第２圧力室内が所定の第２圧力に維持された状態で、第１ワークピースを前記研磨パッドに押し付けて前記第１ワークピースを研磨し、前記研磨された第１ワークピースの研磨レートの分布を示す実研磨レートプロファイルを作成し、前記第１圧力、第１研磨レート係数、シミュレーションにより算定された押し付け圧力応答性プロファイルに基づいて第１研磨レートプロファイルを作成し、前記第２圧力、第２研磨レート係数、第２ワークピースの研磨結果から作成された暫定的な研磨レート応答性プロファイルに基づいて第２研磨レートプロファイルを作成し、前記第１研磨レートプロファイルと前記第２研磨レートプロファイルとを組み合わせて、第３研磨レートプロファイルを作成し、前記実研磨レートプロファイルと前記第３研磨レートプロファイルとの差を最小とする前記第１研磨レート係数および前記第２研磨レートを決定し、前記決定された第１研磨レート係数を前記押し付け圧力応答性プロファイルに乗算して前記推定研磨レート応答性プロファイルを作成し、前記決定された第２研磨レート係数を前記暫定的な研磨レート応答性プロファイルに乗算して前記実研磨レート応答性プロファイルを作成することを含む。
一態様では、前記押し付け圧力応答性プロファイルを算定する工程は、前記第１圧力室内に第３圧力を持つ気体を供給したときの第１押し付け圧力の分布と、前記第１圧力室内に第４圧力を持つ気体を供給したときの第２押し付け圧力の分布をシミュレーションにより算定し、前記第１ワークピース上の半径方向の各位置において、前記第１押し付け圧力と前記第２押し付け圧力との差を、前記第３圧力と前記第４圧力との差で割り算することで、前記第１圧力室内の気体の単位圧力の変化に応答して変化した押し付け圧力を算定する工程を含む。

【0014】

一態様では、上記方法によって作成された前記ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを用いてワークピースの研磨条件を最適化し、前記最適化された研磨条件の下で、前記ワークピースを前記弾性膜で前記研磨パッドに押し付けて前記ワークピースを研磨する、研磨方法が提供される。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、シミュレーションにより生成された推定研磨レート応答性プロファイルと、実際の研磨により取得された実研磨レート応答性プロファイルとの組み合わせから、正確な研磨レート応答性プロファイルを取得することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】研磨装置の一実施形態を示す模式図である。

【図2】研磨ヘッドの一実施形態を示す断面図である。

【図3】ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する一実施形態を説明するためのフローチャートである。

【図4】押し付け圧力応答性プロファイルを作成する一実施形態を説明する図である。

【図5】押し付け圧力応答性プロファイルの一例を示すグラフである。

【図6】すべての圧力室についてシミュレーションにより算出した推定研磨レート応答性プロファイルの一例を示すグラフである。

【図7】実際の研磨に基づいて算定したすべての圧力室についての実研磨レート応答性プロファイルの一例を示すグラフである。

【図8】推定研磨レート応答性プロファイルと実研磨レート応答性プロファイルとの組み合わせからなるハイブリッド研磨レート応答性プロファイルの一例を示すグラフである。

【図9】ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する他の実施形態を説明するためのフローチャートの一部である。

【図10】上記フローチャートの他の部分である。

【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、研磨装置の一実施形態を示す模式図である。研磨装置は、半導体デバイスの製造に使用されるワークピースの一例であるウェーハＷを化学機械的に研磨する装置である。図１に示すように、この研磨装置は、研磨面２ａを有する研磨パッド２を支持する研磨テーブル５と、ウェーハＷを研磨面２ａに対して押し付ける研磨ヘッド７と、研磨液（例えば、砥粒を含むスラリー）を研磨面２ａに供給する研磨液供給ノズル８と、後述する研磨レート応答性プロファイルを作成する演算システム１０を備えている。

【0018】

研磨ヘッド７は、その下面にウェーハＷを保持できるように構成されている。ウェーハＷは被研磨膜を有する。以下の実施形態では、ワークピースの例としてウェーハが使用されているが、ワークピースはウェーハに限定されず、半導体デバイスの製造に使用されるものであれば、円形基板、矩形基板、パネルなどであってもよい。

【0019】

演算システム１０は、少なくとも１台のコンピュータから構成されている。演算システム１０は、後述する研磨レート応答性プロファイルを作成するためのプログラムが格納された記憶装置１０ａと、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する演算装置１０ｂを備えている。記憶装置１０ａは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの主記憶装置と、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などの補助記憶装置を備えている。演算装置１０ｂの例としては、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）が挙げられる。ただし、演算システム１０の具体的構成はこれらの例に限定されない。演算システム１０は、研磨モジュール内、研磨装置内、複数の研磨モジュールを含む基板処理システム内、研磨装置が配置される工場の管理システム内、研磨装置が配置される工場外などに配置されてもよい。

【0020】

研磨装置は、支軸１４と、支軸１４の上端に連結された研磨ヘッド揺動アーム１６と、研磨ヘッド揺動アーム１６の自由端に回転可能に支持された研磨ヘッドシャフト１８をさらに備えている。研磨ヘッド７は、研磨ヘッドシャフト１８の下端に固定されている。研磨ヘッド揺動アーム１６内には、電動機などを備えた研磨ヘッド回転機構（図示せず）が配置されている。この研磨ヘッド回転機構は、研磨ヘッドシャフト１８に連結されており、研磨ヘッドシャフト１８および研磨ヘッド７を矢印で示す方向に回転させるように構成されている。

【0021】

研磨ヘッドシャフト１８は、図示しない研磨ヘッド昇降機構（ボールねじ機構などを含む）に連結されている。この研磨ヘッド昇降機構は、研磨ヘッドシャフト１８を研磨ヘッド揺動アーム１６に対して相対的に上下動させるように構成されている。この研磨ヘッドシャフト１８の上下動により、研磨ヘッド７は、矢印で示すように、研磨ヘッド揺動アーム１６および研磨テーブル５に対して相対的に上下動可能となっている。

【0022】

研磨装置は、研磨パッド２および研磨テーブル５をそれらの軸心を中心に回転させるテーブル回転モータ２１をさらに備えている。テーブル回転モータ２１は研磨テーブル５の下方に配置されており、研磨テーブル５は、テーブル軸５ａを介してテーブル回転モータ２１に連結されている。研磨テーブル５および研磨パッド２は、テーブル回転モータ２１によりテーブル軸５ａを中心に矢印で示す方向に回転されるようになっている。研磨パッド２は、研磨テーブル５の上面に貼り付けられている。研磨パッド２の露出面は、ウェーハＷを研磨する研磨面２ａを構成している。

【0023】

ウェーハＷの研磨は次のようにして行われる。ウェーハＷは、その被研磨面が下を向いた状態で、研磨ヘッド７に保持される。研磨ヘッド７および研磨テーブル５をそれぞれ回転させながら、研磨テーブル５の上方に設けられた研磨液供給ノズル８から研磨液（例えば、砥粒を含むスラリー）を研磨パッド２の研磨面２ａ上に供給する。研磨パッド２はその中心軸線を中心に研磨テーブル５と一体に回転する。研磨ヘッド７は研磨ヘッド昇降機構（図示せず）により所定の高さまで移動される。さらに、研磨ヘッド７は上記所定の高さに維持されたまま、ウェーハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。ウェーハＷは研磨ヘッド７と一体に回転する。研磨液が研磨パッド２の研磨面２ａ上に存在した状態で、ウェーハＷは研磨面２ａに摺接される。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および研磨パッド２の機械的作用との組み合わせにより、研磨される。

【0024】

研磨装置は、研磨面２ａ上のウェーハＷの膜厚を測定する膜厚センサ４２を備えている。膜厚センサ４２は、ウェーハＷの膜厚を直接または間接に示す研磨指標値を生成するように構成されている。この研磨指標値は、ウェーハＷの膜厚に従って変化するので、ウェーハＷの膜厚を示す。研磨指標値は、ウェーハＷの膜厚自体を表す値であってもよいし、または膜厚に換算される前の物理量または信号値であってもよい。

【0025】

膜厚センサ４２の例としては、光学式膜厚センサ、渦電流センサが挙げられる。光学式膜厚センサは、ウェーハＷの表面に光を照射し、ウェーハＷからの反射光のスペクトルからウェーハＷの膜厚を決定するように構成される。渦電流センサは、ウェーハＷに形成されている導電膜に渦電流を誘起させ、導電膜と渦電流センサのコイルとを含む電気回路のインピーダンスに従って変化する信号値を出力するように構成される。光学式膜厚センサおよび渦電流センサには、公知の装置を使用することができる。

【0026】

膜厚センサ４２は、研磨テーブル５内に設置されており、研磨テーブル５と一体に回転する。より具体的には、膜厚センサ４２は、研磨テーブル５が一回転するたびに、研磨面２ａ上のウェーハＷを横切りながら、ウェーハＷの複数の測定点での膜厚を測定するように構成されている。本実施形態では、膜厚センサ４２は、ウェーハＷの中心を含む複数の測定点での膜厚を測定するように配置されている。したがって、複数の測定点はウェーハＷの半径方向に並んでいる。

【0027】

膜厚センサ４２は、演算システム１０に接続されている。膜厚センサ４２によって生成された膜厚の測定値は、演算システム１０によって監視される。すなわち、ウェーハＷの複数の測定点での膜厚の測定値は、膜厚センサ４２から出力され、演算システム１０に送られ、記憶装置１０ａ内に保存される。演算システム１０は、膜厚の測定値に基づいてウェーハＷの膜厚プロファイルを作成する。膜厚プロファイルは、ウェーハＷの半径方向に沿った膜厚の分布を表す。

【0028】

次に、研磨ヘッド７について説明する。図２は、研磨ヘッド７の一実施形態を示す断面図である。研磨ヘッド７は、研磨ヘッドシャフト１８の端部に固定されたヘッド本体３１と、ヘッド本体３１の下部に取り付けられた弾性膜３４と、ヘッド本体３１の下方に配置されたリテーナリング３２とを備えている。リテーナリング３２は、弾性膜３４の周囲に配置されている。このリテーナリング３２は、ウェーハＷの研磨中にウェーハＷが研磨ヘッド７から飛び出さないようにするためにウェーハＷを保持する環状の構造体である。

【0029】

弾性膜３４とヘッド本体３１との間には、４つの圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が設けられている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は弾性膜３４とヘッド本体３１によって形成されている。中央の圧力室Ｃ１は円形であり、他の圧力室Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は環状である。これらの圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、同心上に配列されている。

【0030】

圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４には気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４がそれぞれ接続されている。気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の一端は、研磨装置が設置されている工場に設けられたユーティリティとしての圧縮気体供給源（図示せず）に接続されている。圧縮空気等の圧縮気体は、気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を通じて圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４にそれぞれ供給されるようになっている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４内の圧縮気体は、弾性膜３４を介してウェーハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付ける。

【0031】

圧力室Ｃ３に連通する気体移送ラインＦ３は、図示しない真空ラインに接続されており、圧力室Ｃ３内に真空を形成することが可能となっている。圧力室Ｃ３を構成する、弾性膜３４の部位には開口が形成されており、圧力室Ｃ３に真空を形成することによりウェーハＷが研磨ヘッド７に吸着保持される。また、この圧力室Ｃ３に圧縮気体を供給することにより、ウェーハＷが研磨ヘッド７からリリースされる。

【0032】

ヘッド本体３１とリテーナリング３２との間には、環状の弾性膜３６が配置されており、この弾性膜３６の内部には圧力室Ｃ５が形成されている。圧力室Ｃ５は、気体移送ラインＦ５を介して上記圧縮気体供給源に連結されている。圧縮気体は、気体移送ラインＦ５を通じて圧力室Ｃ５内に供給され、圧力室Ｃ５内の圧縮気体はリテーナリング３２を研磨パッド２に対して押し付ける。

【0033】

気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は、研磨ヘッドシャフト１８に取り付けられたロータリージョイント４０を経由して延びている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５に連通する気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５には、圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５がそれぞれ設けられている。圧縮気体供給源からの圧縮気体は、圧力レギュレータＲ１～Ｒ５を通って圧力室Ｃ１～Ｃ５内にそれぞれ独立に供給される。圧力レギュレータＲ１～Ｒ５は、圧力室Ｃ１～Ｃ５内の圧縮気体の圧力を調節するように構成されている。

【0034】

圧力レギュレータＲ１～Ｒ５は、圧力室Ｃ１～Ｃ５の内部圧力を互いに独立して変化させることが可能であり、これにより、ウェーハＷの対応する４つの領域、すなわち、中央部、内側中間部、外側中間部、およびエッジ部に対する押し付け圧力、およびリテーナリング３２の研磨パッド２への押し付け圧力を独立に調節することができる。気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は大気開放弁（図示せず）にもそれぞれ接続されており、圧力室Ｃ１～Ｃ５を大気開放することも可能である。本実施形態では、弾性膜３４は、４つの圧力室Ｃ１～Ｃ４を形成するが、一実施形態では、弾性膜３４は４つよりも少ない、または４つよりも多い圧力室を形成してもよい。

【0035】

圧力レギュレータＲ１～Ｒ５は演算システム１０に接続されている。演算システム１０は、ウェーハＷの膜厚の測定値を膜厚センサ４２（図１参照）から受け取り、膜厚の測定値に基づいて、目標膜厚プロファイルを達成するための圧力室Ｃ１～Ｃ５の目標圧力値を決定し、目標圧力値を圧力レギュレータＲ１～Ｒ５に送信する。圧力レギュレータＲ１～Ｒ５は、圧力室Ｃ１～Ｃ５内の圧力が対応する目標圧力値に維持されるように動作する。

【0036】

研磨ヘッド７はウェーハＷの複数の領域に対して、独立した圧力をそれぞれ加えることができる。例えば、研磨ヘッド７は、ウェーハＷの表面の異なる領域を異なる圧力で研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けることができる。したがって、研磨ヘッド７は、ウェーハＷの膜厚プロファイルを制御して、目標とする膜厚プロファイルを達成することができる。

【0037】

研磨プロセスを最適化するには、圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力に対するウェーハＷの研磨レートの応答性を把握することが重要である。研磨レートは、研磨により単位時間あたりに減少するウェーハＷの表面材料の量であり、減少する量は厚さで表される。研磨レートは、除去レートとも呼ばれる。研磨レートの応答性とは、圧力室内の単位圧力の変化に応答した研磨レートの変化をいう。

【0038】

以下に説明する実施形態では、演算システム１０は、研磨ヘッド７の弾性膜３４でウェーハＷを研磨パッド２に対して押し付けたときの、圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す研磨レート応答性プロファイルを作成する。より具体的には、演算システム１０は、圧力室Ｃ１～Ｃ３内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す推定研磨レート応答性プロファイルをシミュレーションを用いて作成し、圧力室Ｃ４内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す実研磨レート応答性プロファイルをワークピースとしてのウェーハの研磨結果を用いて作成し、推定研磨レート応答性プロファイルと実研磨レート応答性プロファイルを組み合わせることにより、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する。

【0039】

すなわち、圧力室Ｃ１～Ｃ３については、シミュレーションに基づいて研磨レート応答性プロファイルが作成され、圧力室Ｃ４については、実際の研磨結果に基づいて研磨レート応答性プロファイルが作成され、これらの研磨レート応答性プロファイルの組み合わせであるハイブリッド研磨レート応答性プロファイルが作成される。圧力室Ｃ４は、ウェーハのエッジ部を研磨パッド２に押圧するための最も外側の圧力室である。最も外側の圧力室Ｃ４内の圧力と研磨レートとの関係は、他の圧力室Ｃ１～Ｃ３内の圧力と研磨レートの関係と異なることがある。また、最も外側の圧力室Ｃ４については研磨レート応答性プロファイルのシミュレーションが難しく、またシミュレーション精度が低いことがある。その理由は、圧力室Ｃ４が押圧するウェーハのエッジ部は、ウェーハの研磨中にリテーナリングと接触すること、および回転する研磨パッド２はウェーハのエッジ部からウェーハの下に入り込むからである。そこで、本実施形態では、最も外側の圧力室Ｃ４については、実際の研磨結果に基づいて実研磨レート応答性プロファイルが作成される。

【0040】

ただし、実際の研磨結果に基づいて実研磨レート応答性プロファイルが作成される圧力室は、圧力室Ｃ４に限られず、圧力室Ｃ１～Ｃ４のうちのいずれかであってもよい。一実施形態では、圧力室Ｃ２～Ｃ４については、シミュレーションにより推定研磨レート応答性プロファイルが作成され、中央の圧力室Ｃ１について、実際の研磨結果に基づいて実研磨レート応答性プロファイルが作成されてもよい。他の実施形態では、圧力室Ｃ１，Ｃ２については、シミュレーションにより推定研磨レート応答性プロファイルが作成され、圧力室Ｃ３，Ｃ４については、実際の研磨結果に基づいて実研磨レート応答性プロファイルが作成されてもよい。圧力室が３つ以下、または５つ以上ある場合であっても、実研磨レート応答性プロファイルが作成される圧力室は、最も外側の圧力室に限られず、複数の圧力室のうちのいずれかであってもよい。

【0041】

ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成するための演算システム１０の設置場所は特に限定されない。例えば、演算システム１０は、研磨テーブル５および研磨ヘッド７などの研磨を実行する研磨モジュールから離れた場所に配置されてもよい。演算システム１０は、インターネットまたはローカルエリアネットワークなどの通信システムにより研磨モジュールに接続されてもよい。例えば、演算システム１０は、通信システムに接続されたワークステーションから構成されてもよく、あるいはエッジサーバとクラウドサーバとの組み合わせから構成されてもよい。

【0042】

図３は、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する一実施形態を説明するためのフローチャートである。
ステップ１０１では、演算システム１０は、圧力室Ｃ１～Ｃ４内の単位圧力の変化に応答して変化した、ウェーハＷ１から研磨パッド２に加えられる押し付け圧力の分布を示す押し付け圧力応答性プロファイルをシミュレーションにより算定する。シミュレーションは、研磨ヘッド７の弾性膜３４、研磨パッド２、およびウェーハの数学的モデルを用いて実行される。したがって、シミュレーション結果には、弾性膜３４の形状および弾性、研磨パッド２の弾性、ウェーハＷ１の剛性などが反映される。使用されるシミュレーションは、意図した押し付け圧力応答性プロファイルを算定できるものであれば特に限定されないが、本実施形態では、有限要素法に基づくシミュレーションが使用される。本実施形態のシミュレーションは、ウェーハＷ１および研磨パッド２を回転させない条件下で実行されるが、実際の研磨と同じように、ウェーハＷ１および研磨パッド２を回転させる条件下でシミュレーションを実行してもよい。

【0043】

ステップ１０２では、図１に示す研磨装置は、研磨ヘッド７の圧力室Ｃ１～Ｃ４内が所定の圧力に維持された状態で、研磨ヘッド７によりウェーハＷ１を研磨パッド２に押し付けてウェーハＷ１を実際に研磨する。ウェーハＷ１の研磨は、上述したように、研磨テーブル５および研磨パッド２を回転させ、かつウェーハＷ１を研磨ヘッド７により回転させながら、研磨液が研磨パッド２の研磨面上に存在した状態で、ウェーハＷ１の表面（被研磨面）を研磨ヘッド７により研磨面２ａに対して押し付けることで行われる。

【0044】

ウェーハＷ１の研磨中、膜厚センサ４２は、ウェーハＷ１を横切りながら、ウェーハＷ１の複数の測定点での膜厚を測定する。本実施形態では、複数の測定点はウェーハＷ１の半径方向に沿って並んでいる。膜厚の測定値は、膜厚センサ４２から演算システム１０に送られる。ウェーハＷ１の研磨は、ウェーハＷ１の膜厚が目標値に到達したときに終了される。膜厚センサ４２は、ウェーハＷ１の研磨開始から研磨終了まで、ウェーハＷ１の膜厚を測定し続け、膜厚の測定値を演算システム１０に送信する。ステップ１０２は、ステップ１０１の前に行ってもよい。

【0045】

ステップ１０３では、演算システム１０は、研磨されたウェーハＷ１の研磨レートの分布を示す研磨レートプロファイルを作成する。この研磨レートプロファイルは、ウェーハＷ１上の半径方向の各位置での研磨レートを表す。

【0046】

ステップ１０４では、演算システム１０は、上記ステップ１０１で算定された押し付け圧力応答性プロファイルと、上記ステップ１０２で設定された圧力室Ｃ１～Ｃ４内の所定の圧力と、上記ステップ１０３で算定された研磨レートプロファイルに基づいて、推定研磨レート応答性プロファイルを作成する。推定研磨レート応答性プロファイルは、ウェーハＷ１の複数の半径位置（すなわち膜厚の複数の測定点）での圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力変化に対する推定研磨レートの応答性の分布である。

【0047】

ステップ１０５では、図１に示す研磨装置は、研磨ヘッド７の圧力室Ｃ１～Ｃ３内の圧力を一定に維持した状態で、圧力室Ｃ４内の圧力を変化させながら、研磨ヘッド７によりウェーハＷ２を研磨パッド２に押し付けてウェーハＷ２を研磨する。ウェーハＷ２の研磨は、上述したように、研磨テーブル５および研磨パッド２を回転させ、かつウェーハＷ２を研磨ヘッド７により回転させながら、研磨液が研磨パッド２の研磨面上に存在した状態で、ウェーハＷ２の表面（被研磨面）を研磨ヘッド７により研磨面２ａに対して押し付けることで行われる。

【0048】

ウェーハＷ２の研磨中、膜厚センサ４２は、ウェーハＷ２を横切りながら、ウェーハＷ２の複数の測定点での膜厚を測定する。本実施形態では、複数の測定点はウェーハＷ２の半径方向に沿って並んでいる。膜厚の測定値は、膜厚センサ４２から演算システム１０に送られる。ウェーハＷ２の研磨は、ウェーハＷ２の膜厚が目標値に到達したときに終了される。膜厚センサ４２は、ウェーハＷ２の研磨開始から研磨終了まで、ウェーハＷ２の膜厚を測定し続け、膜厚の測定値を演算システム１０に送信する。

【0049】

ステップ１０６では、演算システム１０は、圧力室Ｃ４内の異なる圧力に対応するウェーハＷ２の複数の研磨レートを膜厚の測定値から算定し、圧力室Ｃ４内の圧力の変化に対する研磨レートの応答性を算定する。
ステップ１０７では、演算システム１０は、上記ステップ１０６で算定された圧力室Ｃ４についての研磨レートの応答性から、実研磨レート応答性プロファイルを作成する。
一実施形態では、ステップ１０５～１０７は、ステップ１０１～１０４の前に行ってもよい。

【0050】

ステップ１０８では、演算システム１０は、上記ステップ１０４で求められた圧力室Ｃ１～Ｃ３についての推定研磨レート応答性プロファイルと、上記ステップ１０７で求められた圧力室Ｃ４についての実研磨レート応答性プロファイルを組み合わせて、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する。本実施形態では、上記ステップ１０４で求められた圧力室Ｃ４についての推定研磨レート応答性プロファイルを、上記ステップ１０７で求められた圧力室Ｃ４についての実研磨レート応答性プロファイルに置き換えることで、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する。演算システム１０は、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルに基づき、目標膜厚プロファイルを達成するための圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力を正しく決定することができる。

【0051】

以下、上記各ステップについて詳述する。
図４は、図３に示す上記ステップ１０１の押し付け圧力応答性プロファイルを算定する一実施形態を説明する図である。図４の縦軸はウェーハＷ１から研磨パッド２の研磨面２ａに加えられる圧力（以下、押し付け圧力という）を表し、横軸はウェーハＷ１上の半径方向の位置を表している。図４の横軸は、ウェーハＷ１の半径が１５０ｍｍの場合を示しているが、ウェーハＷ１の半径は図４の例に限定されない。

【0052】

まず、図２に示す圧力室Ｃ１内に圧力Ｐ１を持つ気体を供給したときの押し付け圧力の分布（記号ＣＰ１＋で示す）をシミュレーションにより算定する。次に、同じ圧力室Ｃ１内に圧力Ｐ２を持つ気体を供給したときの押し付け圧力の分布（記号ＣＰ１－で示す）をシミュレーションにより算定する。圧力Ｐ１および圧力Ｐ２は、どちらも予め設定された圧力であり、圧力Ｐ１は圧力Ｐ２よりも高い。

【0053】

同様にして、圧力室Ｃ２内に上記圧力Ｐ１を持つ気体を供給したときの押し付け圧力の分布（記号ＣＰ２＋で示す）、圧力室Ｃ２内に上記圧力Ｐ２を持つ気体を供給したときの押し付け圧力の分布（記号ＣＰ２－で示す）、圧力室Ｃ３内に上記圧力Ｐ１を持つ気体を供給したときの押し付け圧力の分布（記号ＣＰ３＋で示す）、圧力室Ｃ３内に上記圧力Ｐ２を持つ気体を供給したときの押し付け圧力の分布（記号ＣＰ３－で示す）、圧力室Ｃ４内に上記圧力Ｐ１を持つ気体を供給したときの押し付け圧力の分布（記号ＣＰ４＋で示す）、圧力室Ｃ４内に上記圧力Ｐ２を持つ気体を供給したときの押し付け圧力の分布（記号ＣＰ４－で示す）をシミュレーションにより算定する。

【0054】

次に、演算システム１０は、ウェーハＷ１上の半径方向の各位置において、押し付け圧力ＣＰ１＋と押し付け圧力ＣＰ１－との差を、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差で割り算することで、圧力室Ｃ１内の気体の単位圧力の変化に応答して変化した押し付け圧力を算定する。同じようにして、演算システム１０は、ウェーハＷ１上の半径方向の各位置において、押し付け圧力ＣＰ２＋と押し付け圧力ＣＰ２－との差を、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差で割り算することで、圧力室Ｃ２内の気体の単位圧力の変化に応答して変化した押し付け圧力を算定し、ウェーハＷ１上の半径方向の各位置において、押し付け圧力ＣＰ３＋と押し付け圧力ＣＰ３－との差を、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差で割り算することで、圧力室Ｃ３内の気体の単位圧力の変化に応答して変化した押し付け圧力を算定し、ウェーハＷ１上の半径方向の各位置において、押し付け圧力ＣＰ４＋と押し付け圧力ＣＰ４－との差を、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差で割り算することで、圧力室Ｃ４内の気体の単位圧力の変化に応答して変化した押し付け圧力を算定する。

【0055】

図５は、押し付け圧力応答性プロファイルの一例を示すグラフである。図５の縦軸は圧力室内の単位圧力の変化に応答して変化した押し付け圧力を表し、横軸はウェーハＷ１上の半径方向の位置を表している。図５の記号ＰＰ１は圧力室Ｃ１内の気体の単位圧力の変化に応答して変化した押し付け圧力の分布を表し、記号ＰＰ２は圧力室Ｃ２内の気体の単位圧力の変化に応答して変化した押し付け圧力の分布を表し、記号ＰＰ３は圧力室Ｃ３内の気体の単位圧力の変化に応答して変化した押し付け圧力の分布を表し、記号ＰＰ４は圧力室Ｃ４内の気体の単位圧力の変化に応答して変化した押し付け圧力の分布を表している。このようにして、演算システム１０は、押し付け圧力応答性プロファイルを作成する。

【0056】

図４を参照して説明したように、押し付け圧力応答性プロファイルは、圧力室Ｃ１～Ｃ４内が予め設定された値である圧力Ｐ１および圧力Ｐ２とした条件下でシミュレーションを実行することで作成される。押し付け圧力応答性プロファイルは、圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力の設定値によって変わることがあり、さらにウェーハの実際の研磨でも圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力はウェーハの構造や膜厚などによって変わりうる。

【0057】

そこで、一実施形態では、演算システム１０は、圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力を、複数の異なる値に設定した状態で、シミュレーションを複数回実行し、押し付け圧力応答性プロファイルをさらに算定（作成）する。例えば、演算システム１０は、圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力Ｐ１から圧力Ｐ２への変化に応答して変化した押し付け圧力の分布を示す第１の押し付け圧力応答性プロファイルをシミュレーションにより算定し、圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力Ｐ３から圧力Ｐ４への変化に応答して変化した押し付け圧力の分布を示す第２の押し付け圧力応答性プロファイルをシミュレーションにより算定することで、複数の圧力応答性プロファイルを作成する。圧力Ｐ３および圧力Ｐ４は、圧力Ｐ１および圧力Ｐ２とは異なる。

【0058】

さらに、演算システム１０は、シミュレーションにより算定された複数の押し付け圧力応答性プロファイルを用いた内挿または外挿により、新たな押し付け圧力応答性プロファイルをさらに作成してもよい。一実施形態では、演算システム１０は、シミュレーションにより作成された複数の押し付け圧力応答性プロファイルを、機械学習により構築されたモデルに入力し、モデルから新たな押し付け圧力応答性プロファイルを出力することにより、押し付け圧力応答性プロファイルをさらに作成してもよい。このようにして作成された複数の押し付け圧力応答性プロファイルは、演算システム１０の記憶装置１０ａ内に格納される。演算システム１０は、複数の押し付け圧力応答性プロファイルのうちの１つを使用して、上記ステップ１０４で推定研磨レート応答性プロファイルを作成する。

【0059】

上述した実施形態は、研磨ヘッド７の弾性膜３４によりウェーハＷ１を研磨パッド２に押し付ける圧力に関するものであるが、研磨ヘッド７のリテーナリング３２が研磨パッド２を押し付ける圧力も押し付け圧力応答性プロファイルに含めてもよい。すなわち、シミュレーションは、研磨ヘッド７の弾性膜３４、研磨パッド２、リテーナリング３２、およびウェーハＷ１の数学的モデルを用いて実行されてもよい。

【0060】

次に、上記ステップ１０２について詳述する。このステップ１０２では、ウェーハＷ１が実際に研磨される。図１に示す研磨装置は、研磨ヘッド７の圧力室Ｃ１～Ｃ４内が所定の圧力に維持された状態で、研磨ヘッド７によりウェーハＷ１を研磨パッド２に押し付けてウェーハＷ１を研磨する。研磨ヘッド７の圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４内の圧力は、それぞれ所定の圧力ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４にそれぞれ設定される。一例では、所定の圧力ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４は、上記ステップ１０１で使用された圧力Ｐ１以下であり、かつ圧力Ｐ２以上である。所定の圧力ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３，ＳＰ４は、互いに異なってもよいし、それらのうちのいずれか２つまたは全部が同じであってもよい。ウェーハＷ１の研磨は、少なくとも、ウェーハＷ１の膜厚が目標値に到達するまで実施される。膜厚センサ４２は、ウェーハＷ１の研磨開始から研磨終了まで、ウェーハＷ１の膜厚を測定し続け、膜厚の測定値を演算システム１０に送信する。

【0061】

次に、上記ステップ１０３について詳述する。このステップ１０３では、演算システム１０は、圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に対応するウェーハＷ１の複数の測定点のそれぞれにおける初期膜厚と最終膜厚との差を、ウェーハＷ１の研磨時間で割り算することにより、複数の測定点での複数の研磨レートを算定する。初期膜厚はウェーハＷ１の研磨前の膜厚であり、最終膜厚はウェーハＷ１の研磨終了時の膜厚である。演算システム１０は、算定された複数の研磨レートを、圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に対応する複数の測定点に割り当てることで、研磨レートプロファイルを作成する。

【0062】

ウェーハの実際の研磨では、圧力室Ｃ１～Ｃ４内の設定圧力はウェーハの構造や膜厚などによって変わりうる。そこで、一実施形態では、異なる圧力を圧力室Ｃ１～Ｃ４内に設定した状態で、複数のウェーハを研磨することで複数の研磨レートプロファイルを作成してもよい。より具体的には、複数のウェーハごとに異なる圧力を圧力室Ｃ１～Ｃ４内に設定した状態で、複数のウェーハを研磨パッド２に１つずつ押し付けてこれら複数のウェーハを研磨する。演算システム１０は、研磨された複数のウェーハの研磨レートの分布を示す複数の研磨レートプロファイルを生成する。このようにして作成された複数の研磨レートプロファイルは、演算システム１０の記憶装置１０ａ内に格納される。演算システム１０は、複数の研磨レートプロファイルのうちの１つを使用して、次のステップ１０４で推定研磨レート応答性プロファイルを作成する。

【0063】

次に、上記ステップ１０４について詳述する。このステップ１０４では、演算システム１０は、その記憶装置１０ａに格納されている以下の式を使用する。

【数1】

Resp(n,r)=F(n)*P(n,r) （２）
ここで、ｒはウェーハＷ１上の半径方向の位置、ｒａはウェーハＷ１の半径、Ｒａｔｅ（ｒ）は半径位置ｒでの研磨レート（実測値）、ｎは圧力室の番号、ｎｔは圧力室の数（本実施形態ではｎｔ＝４）、ＡＰ（ｎ）はウェーハＷ１を実際に研磨したときのｎ番目の圧力室内の気体の圧力、Ｆ（ｎ）はｎ番目の圧力室に関する研磨レート係数、Ｐ（ｎ，ｒ）はｎ番目の圧力室に関する半径位置ｒでの押し付け圧力の応答性、Ｒｅｓｐ（ｎ，ｒ）はｎ番目の圧力室に関する半径位置ｒでの研磨レート応答性を表す。

【0064】

演算システム１０は、押し付け圧力応答性プロファイルに、研磨レート係数Ｆ（ｎ）の候補および所定の圧力ＡＰ（ｎ）を乗算して仮想研磨レートプロファイルを算定し、上記式（１）で示される、実際の研磨レートプロファイルと仮想研磨レートプロファイルとの差（絶対値）を最小とする研磨レート係数Ｆ（ｎ）を決定する。上記式（１）を最小とする研磨レート係数Ｆ（ｎ）を求めるアルゴリズムは、最適化法などの公知のアルゴリズムが適用できる。

【0065】

研磨レート係数Ｆ（ｎ）は、ｎ番目の圧力室に関する研磨レート係数であるが、圧力室Ｃ１～Ｃ４について同じ値の研磨レート係数Ｆ（ｎ）を用いてもよい。あるいは複数の圧力室Ｃ１～Ｃ４にそれぞれ対応した複数の研磨レート係数Ｆ（ｎ）を用いてもよい。後者は前者に比べて、上記式（１）で示される実際の研磨レートプロファイルと仮想研磨レートプロファイルとの差をより最小とすることができる。

【0066】

演算システム１０は、さらに、押し付け圧力応答性プロファイルに、決定された研磨レート係数Ｆ（ｎ）を乗算して、式（２）で表される推定研磨レート応答性プロファイルを算定（作成）する。

【0067】

次に、上記ステップ１０５について詳述する。このステップ１０５では、ウェーハＷ２が実際に研磨される。図１に示す研磨装置は、研磨ヘッド７の圧力室Ｃ１～Ｃ３内の圧力は一定に維持しつつ、圧力室Ｃ４内の圧力を変えながら、研磨ヘッド７によりウェーハＷ２を研磨パッド２に押し付けてウェーハＷ２を研磨する。例えば、研磨ヘッド７の圧力室Ｃ４内の圧力が所定の圧力ＴＰ１に維持された状態で、研磨ヘッド７はウェーハＷ２を研磨パッド２に押し付けてウェーハＷ２を所定の第１研磨時間の間研磨し、その後、研磨ヘッド７の圧力室Ｃ４内の圧力が所定の圧力ＴＰ２に維持された状態で、研磨ヘッド７はウェーハＷ２を研磨パッド２に押し付けてウェーハＷ２を所定の第２研磨時間の間研磨する。圧力ＴＰ２は、圧力ＴＰ１とは異なる。圧力室Ｃ１～Ｃ３内の圧力は一定である。膜厚センサ４２は、少なくとも上記第１研磨時間および上記第２研磨時間の間は、圧力室Ｃ４に対応するウェーハＷ２の複数の測定点での膜厚を測定し続け、膜厚の測定値を演算システム１０に送信する。

【0068】

次に、上記ステップ１０６について詳述する。このステップ１０６では、演算システム１０は、圧力ＴＰ１で研磨したときの複数の測定点での複数の第１研磨レートと、圧力ＴＰ２で研磨したときの複数の測定点での複数の第２研磨レートを、膜厚の測定値、第１研磨時間、および第２研磨時間から算定する。さらに、演算システム１０は、圧力室Ｃ４に対応する各測定点での第１研磨レートと第２研磨レートとの差を、圧力ＴＰ１と圧力ＴＰ２との差で割り算することで、圧力室Ｃ４内の圧力の変化に対する研磨レートの応答性を決定（算定）する。演算システム１０は、算定された研磨レートの応答性を、圧力室Ｃ４に対応する複数の測定点に割り当てることで、実研磨レート応答性プロファイルを作成する。

【0069】

図６は、すべての圧力室Ｃ１～Ｃ４についてシミュレーションにより算出した推定研磨レート応答性プロファイルの一例を示すグラフであり、図７は、実際の研磨に基づいて算定したすべての圧力室Ｃ１～Ｃ４についての実研磨レート応答性プロファイルの一例を示すグラフである。図６および図７の縦軸は各圧力室内の単位圧力の変化に応答して変化した研磨レートを表し、横軸はウェーハの半径方向の位置を表している。

【0070】

図６の記号ＥＲ１は圧力室Ｃ１に関する推定研磨レート応答性プロファイルを表し、記号ＥＲ２は圧力室Ｃ２に関する推定研磨レート応答性プロファイルを表し、記号ＥＲ３は圧力室Ｃ３に関する推定研磨レート応答性プロファイルを表し、記号ＥＲ４は圧力室Ｃ４に関する推定研磨レート応答性プロファイルを表している。図７の記号ＲＲ１は圧力室Ｃ１に関する実研磨レート応答性プロファイルを表し、記号ＲＲ２は圧力室Ｃ２に関する実研磨レート応答性プロファイルを表し、記号ＲＲ３は圧力室Ｃ３に関する実研磨レート応答性プロファイルを表し、記号ＲＲ４は圧力室Ｃ４に関する実研磨レート応答性プロファイルを表している。

【0071】

図６と図７との対比から分かるように、推定研磨レート応答プロファイルＥＲ１，ＥＲ２，ＥＲ３は、実研磨レート応答性プロファイルＲＲ１，ＲＲ２，ＲＲ３と似ているが、推定研磨レート応答プロファイルＥＲ４は、実研磨レート応答性プロファイルＲＲ４から大きく異なっている。したがって、すべての圧力室Ｃ１～ＣＰ４について、シミュレーションにより推定研磨レート応答プロファイルを作成すると、意図した膜厚プロファイルが達成できないことがある。

【0072】

上述した実施形態によれば、図８に示すように、シミュレーションにより生成された推定研磨レート応答性プロファイルＥＲ１，ＥＲ２，ＥＲ３と、実際の研磨により取得された実研磨レート応答性プロファイルＲＲ４との組み合わせから、正確なハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを取得することができる。

【0073】

さらには、シミュレーションを用いることで、研磨レート応答性を得るためのウェーハ（ワークピース）の枚数と作業時間を減らすことができる。具体的には、上記ステップ１０２で実際に研磨されるウェーハの枚数を減らすことができる。上記ステップ１０２で実際に研磨されるウェーハの枚数は１枚であってもよいし、あるいは複数枚であってもよいが、上記ステップ１０２で研磨レートプロファイルを取得するのに必要なウェーハの枚数は、研磨ヘッド７の圧力室Ｃ１～Ｃ３の数よりも少ない数とすることができる。

【0074】

上述のようにして取得されたハイブリッド研磨レート応答性プロファイルは、次に研磨される他のウェーハの研磨条件の最適化に用いることができる。一実施形態では、演算システム１０は、他のウェーハの研磨中に膜厚センサ４２（図１参照）から取得した膜厚の測定値から上記他のウェーハの現在の膜厚プロファイルを作成し、現在の膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差を最小とするための圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力を、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルに基づいて決定する。他の実施形態では、演算システム１０は、研磨レートプロファイルの生成に使用されたウェーハの研磨前の膜厚プロファイルおよび研磨後の膜厚プロファイルを作成し、研磨前の膜厚プロファイル、研磨後の膜厚プロファイル、目標膜厚プロファイル、およびハイブリッド研磨レート応答性プロファイルに基づいて、圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力を決定する。

【0075】

次に、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する他の実施形態について説明する。特に説明しない本実施形態の詳細は、上述した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

【0076】

演算システム１０は、上述した実施形態と同様に、圧力室Ｃ１～Ｃ３内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す推定研磨レート応答性プロファイルをシミュレーションを用いて作成し、圧力室Ｃ４内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す実研磨レート応答性プロファイルをワークピースとしてのウェーハの研磨結果を用いて作成し、推定研磨レート応答性プロファイルと実研磨レート応答性プロファイルを組み合わせることにより、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する。

【0077】

図９は、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する実施形態を説明するためのフローチャートである。
ステップ２０１では、研磨ヘッド７の圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４内が所定の圧力ＵＰ１，ＵＰ２，ＵＰ３，ＵＰ４にそれぞれ維持された状態で、研磨ヘッド７によりウェーハＷ３を研磨パッド２に押し付けてウェーハＷ３を研磨する。所定の圧力ＵＰ１，ＵＰ２，ＵＰ３，ＵＰ４は、互いに異なってもよいし、それらのうちのいずれか２つまたは全部が同じであってもよい。ウェーハＷ３の研磨は、上述したように、研磨テーブル５および研磨パッド２を回転させ、かつウェーハＷ３を研磨ヘッド７により回転させながら、研磨液が研磨パッド２の研磨面上に存在した状態で、ウェーハＷ３の表面（被研磨面）を研磨ヘッド７により研磨面２ａに対して押し付けることで行われる。

【0078】

ウェーハＷ３の研磨中、膜厚センサ４２は、ウェーハＷ３を横切りながら、ウェーハＷ３の複数の測定点での膜厚を測定する。本実施形態では、複数の測定点はウェーハＷ３の半径方向に沿って並んでいる。膜厚の測定値は、膜厚センサ４２から演算システム１０に送られる。ウェーハＷ３の研磨は、ウェーハＷ３の膜厚が目標値に到達したときに終了される。膜厚センサ４２は、ウェーハＷ３の研磨開始から研磨終了まで、ウェーハＷ３の膜厚を測定し続け、膜厚の測定値を演算システム１０に送信する。

【0079】

ステップ２０２では、演算システム１０は、研磨されたウェーハＷ３の研磨レートの分布を示す実研磨レートプロファイルを作成する。この研磨レートプロファイルは、ウェーハＷ３上の半径方向の各位置での研磨レートを表す。このステップ２０２は、上述したステップ１０３と同様にして行われるので、その重複する説明を省略する。

【0080】

ステップ２０３では、演算システム１０は、圧力室Ｃ１～Ｃ３内の単位圧力の変化に応答して変化した、ウェーハＷ３から研磨パッド２に加えられる押し付け圧力の分布を示す押し付け圧力応答性プロファイルをシミュレーションにより算定する。このシミュレーションは、上述した実施形態で説明したステップ１０１のシミュレーションと同様にして行われるので、その重複する説明を省略する。一実施形態では、ステップ２０３は、ステップ２０１の前に行われてもよい。

【0081】

ステップ２０４では、演算システム１０は、上記ステップ２０１で設定された圧力室Ｃ１～Ｃ３内の圧力ＵＰ１，ＵＰ２，ＵＰ３と、上記ステップ２０３で算定された押し付け圧力応答性プロファイルと、第１研磨レート係数に基づいて、第１研磨レートプロファイルを作成する。第１研磨レートプロファイルは、圧力室Ｃ１～Ｃ３についてのウェーハＷ３の研磨レートの分布である。第１研磨レートプロファイルは、以下のように表される。

【数2】

ここで、ｒはウェーハＷ３上の半径方向の位置、ｎは圧力室の番号、ｎｔは圧力室の数（本実施形態ではｎｔ＝３）、ＡＰ（ｎ）はウェーハＷ３を実際に研磨したときのｎ番目の圧力室内の気体の圧力（すなわち圧力ＵＰ１，ＵＰ２，ＵＰ３）、Ｆ（ｎ）はｎ番目の圧力室に関する第１研磨レート係数、Ｐsim（ｎ，ｒ）はｎ番目の圧力室に関する半径位置ｒでの押し付け圧力の応答性を表す。

【0082】

ステップ２０５では、図１に示す研磨装置は、研磨ヘッド７の圧力室Ｃ１～Ｃ３内の圧力を一定に維持した状態で、圧力室Ｃ４内の圧力を変化させながら、研磨ヘッド７によりウェーハＷ４を研磨パッド２に押し付けてウェーハＷ４を研磨する。ウェーハＷ４の研磨は、上述したように、研磨テーブル５および研磨パッド２を回転させ、かつウェーハＷ４を研磨ヘッド７により回転させながら、研磨液が研磨パッド２の研磨面上に存在した状態で、ウェーハＷ４の表面（被研磨面）を研磨ヘッド７により研磨面２ａに対して押し付けることで行われる。このステップ２０５は、上述したステップ１０５と同じようにして行われるので、その重複する説明を省略する。

【0083】

ウェーハＷ４の研磨中、膜厚センサ４２は、ウェーハＷ４を横切りながら、ウェーハＷ４の複数の測定点での膜厚を測定する。本実施形態では、複数の測定点はウェーハＷ４の半径方向に沿って並んでいる。膜厚の測定値は、膜厚センサ４２から演算システム１０に送られる。ウェーハＷ４の研磨は、ウェーハＷ４の膜厚が目標値に到達したときに終了される。膜厚センサ４２は、ウェーハＷ４の研磨開始から研磨終了まで、ウェーハＷ４の膜厚を測定し続け、膜厚の測定値を演算システム１０に送信する。

【0084】

ステップ２０６では、演算システム１０は、圧力室Ｃ４内の異なる圧力に対応するウェーハＷ４の複数の研磨レートを膜厚の測定値から算定し、圧力室Ｃ４内の圧力の変化に対する研磨レートの応答性を算定する。
ステップ２０７では、演算システム１０は、上記ステップ２０６で決定された圧力室Ｃ４についての研磨レートの応答性から、暫定的な研磨レート応答性プロファイルを作成する。ステップ２０６、２０７は、上述したステップ１０６、１０７と同じようにして行われるので、その重複する説明を省略する。

【0085】

ステップ２０８では、演算システム１０は、上記ステップ２０１で設定された圧力室Ｃ４内の圧力ＵＰ４と、上記ステップ２０７で作成された圧力室Ｃ４についての暫定的な研磨レート応答性プロファイルと、第２研磨レート係数に基づいて第２研磨レートプロファイルを作成する。第２研磨レートプロファイルは、圧力室Ｃ４についてのウェーハＷ４の研磨レートの分布である。第２研磨レートプロファイルは、以下のように表される。

【数3】

ここで、ｒはウェーハＷ４上の半径方向の位置、ｍは圧力室の番号（本実施形態ではｍ＝４）、ＡＰ（ｍ）はウェーハＷ４を実際に研磨したときのｍ番目の圧力室内の気体の圧力（本実施形態では圧力ＵＰ４）、Ｆ（ｍ）はｍ番目の圧力室に関する第２研磨レート係数、Ｒreal（ｍ，ｒ）はｍ番目の圧力室に関する半径位置ｒでの暫定的な研磨レート応答性プロファイルを表す。
一実施形態では、ステップ２０５～２０８は、ステップ２０１～２０４の前に行われてもよい。

【0086】

ステップ２０９では、演算システム１０は、第１研磨レートプロファイルと第２研磨レートプロファイルとを組み合わせて、第３研磨レートプロファイルを作成する。第３研磨レートプロファイルは、以下のように表される。

【数4】

【0087】

ステップ２１０では、演算システム１０は、上記ステップ２０２で作成された実研磨レートプロファイルと、上記ステップ２０９で作成された第３研磨レートプロファイルとの差（絶対値）を最小とする第１研磨レート係数Ｆ（ｎ）および第２研磨レート係数Ｆ（ｍ）を決定する。実研磨レートプロファイルと第３研磨レートプロファイルとの差は、次のように表される。

【数5】

ここで、ｒはウェーハ上の半径方向の位置、ｒａはウェーハの半径、Ｒａｔｅ（ｒ）はステップ２０２で算定された、半径位置ｒでの研磨レート（実測値）を表す。
上記式（６）を最小とする第１研磨レート係数Ｆ（ｎ）および第２研磨レート係数Ｆ（ｍ）を求めるアルゴリズムは、最適化法などの公知のアルゴリズムが適用できる。

【0088】

ステップ２１１では、演算システム１０は、決定された第１研磨レート係数Ｆ（ｎ）を押し付け圧力応答性プロファイルＰsim（ｎ，ｒ）に乗算して推定研磨レート応答性プロファイルを作成し、決定された第２研磨レート係数Ｆ（ｍ）を暫定的な研磨レート応答性プロファイルＲreal（ｍ，ｒ）に乗算して実研磨レート応答性プロファイルを作成する。
ステップ２１２では、演算システム１０は、上記ステップ２１０で作成された推定研磨レート応答性プロファイルと実研磨レート応答性プロファイルとを組み合わせて、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する。

【0089】

上記ステップ２１１，２１２は、次の式で表される。
Resp(l,r)=F(n)*Psim(n,r)+F(m)*Rreal(m,r) （７）
ここで、Ｒｅｓｐ（ｌ，ｒ）はｌ番目の圧力室に関する半径位置ｒでの研磨レート応答性を表す。演算システム１０は、その記憶装置１０ａ内に、上記式（１）～（７）を格納している。

【0090】

上述した実施形態によれば、シミュレーションにより生成された推定研磨レート応答性プロファイルと、実際の研磨により取得された実研磨レート応答性プロファイルとの組み合わせから、正確なハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを取得することができる。さらには、シミュレーションを用いることで、研磨レート応答性を得るためのウェーハ（ワークピース）の枚数と作業時間を減らすことができる。

【0091】

上述のようにして取得されたハイブリッド研磨レート応答性プロファイルは、次に研磨される他のウェーハの研磨条件の最適化に用いることができる。一実施形態では、演算システム１０は、他のウェーハの研磨中に膜厚センサ４２（図１参照）から取得した膜厚の測定値から上記他のウェーハの現在の膜厚プロファイルを作成し、現在の膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差を最小とするための圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力を、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルに基づいて決定する。他の実施形態では、演算システム１０は、研磨レートプロファイルの生成に使用されたウェーハの研磨前の膜厚プロファイルおよび研磨後の膜厚プロファイルを作成し、研磨前の膜厚プロファイル、研磨後の膜厚プロファイル、目標膜厚プロファイル、およびハイブリッド研磨レート応答性プロファイルに基づいて、圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力を決定する。

【0092】

図３のフローチャートを参照して説明した実施形態では、圧力室Ｃ１～Ｃ３についてのシミュレーション結果を実研磨の結果に近づけるための研磨レート係数を求める工程は、圧力室Ｃ４について実研磨レート応答性プロファイルを算定する工程とは独立に行われる。これに対し、図９および図１０のフローチャートを参照して説明した実施形態では、圧力室Ｃ１～Ｃ４についての第１研磨レート係数および第２研磨レート係数を求める工程は、圧力室Ｃ１～Ｃ３についての推定研磨レート応答性プロファイル算定する工程と圧力室Ｃ４について実研磨レート応答性プロファイルを算定する工程と実質的に同じオペレーションに従って実行される。図９および図１０のフローチャートを参照して説明した実施形態は、図３のフローチャートを参照して説明した実施形態よりも、より高い精度の研磨レート応答性プロファイルを作成できることが実際の研磨結果から分かっている。

【0093】

今まで説明した実施形態では、４つの圧力室Ｃ１～Ｃ４についてのハイブリッド研磨レート応答性プロファイルが求められるが、３つ以下、または５つ以上の圧力室についてのハイブリッド研磨レート応答性プロファイルも同様にして求めることができる。

【0094】

演算システム１０は、記憶装置１０ａに電気的に格納されたプログラムに含まれる命令に従って動作し、上述した各実施形態の動作を実行する。具体的には、演算システム１０は、第１圧力室（例えば、圧力室ＣＰ１）内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す推定研磨レート応答性プロファイルをシミュレーションを用いて作成し、第２圧力室（例えば、圧力室ＣＰ４）内の圧力変化に対する研磨レートの応答性の分布を示す実研磨レート応答性プロファイルをワークピースの研磨結果を用いて作成し、推定研磨レート応答性プロファイルと実研磨レート応答性プロファイルを組み合わせることにより、ハイブリッド研磨レート応答性プロファイルを作成する。

【0095】

上述した各実施形態の動作を演算システム１０に実行させるためのプログラムは、非一時的な有形物であるコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録され、記録媒体を介して演算システム１０に提供される。または、プログラムは、インターネットまたはローカルエリアネットワークなどの通信ネットワークを介して演算システム１０に入力されてもよい。

【0096】

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】

【0097】

２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
５ 研磨テーブル
５ａ テーブル軸
７ 研磨ヘッド
８ 研磨液供給ノズル
１０ 演算システム
１０ａ 記憶装置
１０ｂ 演算装置
１４ 支軸
１６ 研磨ヘッド揺動アーム
１８ 研磨ヘッドシャフト
２１ テーブル回転モータ
３１ ヘッド本体
３２ リテーナリング
３４，３６ 弾性膜
４０ ロータリージョイント
４２ 膜厚センサ
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５ 圧力室
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５ 気体移送ライン
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５ 圧力レギュレータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】