(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】
(24)【登録日】2024-10-21
(45)【発行日】2024-10-29
(54)【発明の名称】膜厚測定方法、ノッチ部の検出方法、および研磨装置
(51)【国際特許分類】
H01L 21/304 20060101AFI20241022BHJP
B24B 37/013 20120101ALI20241022BHJP
B24B 37/30 20120101ALI20241022BHJP
B24B 49/04 20060101ALI20241022BHJP
B24B 49/10 20060101ALI20241022BHJP
B24B 49/12 20060101ALI20241022BHJP
B24B 37/10 20120101ALI20241022BHJP
【ＦＩ】
H01L21/304 622S
B24B37/013
B24B37/30 E
B24B49/04 Z
B24B49/10
B24B49/12
B24B37/10
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2021043328
(22)【出願日】2021-03-17
(65)【公開番号】P2022143015
(43)【公開日】2022-10-03
【審査請求日】2023-10-16
(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】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】鍋谷 治
(72)【発明者】
【氏名】富樫 真吾
(72)【発明者】
【氏名】並木 計介
【審査官】久宗 義明
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－０２０２４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０８４６１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１６８６６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１３８４４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１８３８２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１３４７７４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１６４９１７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１３０１３１（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２１／３０４
Ｂ２４Ｂ ３７／０１３
Ｂ２４Ｂ ３７／３０
Ｂ２４Ｂ ４９／０４
Ｂ２４Ｂ ４９／１０
Ｂ２４Ｂ ４９／１２
Ｂ２４Ｂ ３７／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも一部が研磨パッドを支持する研磨テーブルに設置された膜厚測定装置を用いた基板の膜厚測定方法であって、研磨ヘッドによって、前記基板を前記研磨パッドの研磨面上で回転させながら、かつ前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御しながら前記基板の膜厚を測定し、
前記膜厚の測定箇所は前記基板の周縁部であり、
前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周縁部を少なくとも含む領域を蛇行しながら前記基板の周方向に移動するように、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程である、膜厚測定方法。
【請求項2】
前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程は、前記研磨ヘッドの回転に合わせて、前記研磨ヘッドを前記研磨面に沿って揺動させる揺動モータおよび前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータの少なくとも一方を制御する工程を含む、請求項１に記載の膜厚測定方法。
【請求項3】
前記基板の膜厚の測定中、前記研磨ヘッドが前記基板を前記研磨面に押し付けるように、前記研磨ヘッドの弾性膜によって形成された複数の圧力室の圧力を調整する、請求項１または２に記載の膜厚測定方法。
【請求項4】
前記基板の中央部を吸着しながら、前記基板の外周部を前記研磨面に押し付けるように、前記複数の圧力室の圧力を調整する、請求項３に記載の膜厚測定方法。
【請求項5】
前記膜厚測定装置は、光学式膜厚測定装置または渦電流式膜厚測定装置である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の膜厚測定方法。
【請求項6】
前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程は、前記膜厚の測定位置が前記周縁部の周方向に軌跡を描くように、前記研磨ヘッドの回転角度に基づいて、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程である、請求項１に記載の膜厚測定方法。
【請求項7】
前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周方向における複数の領域において、前記基板の半径方向に移動するように、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程であり、前記複数の領域は、少なくとも前記基板の周縁部を含む、請求項１に記載の膜厚測定方法。
【請求項8】
請求項６乃至７のいずれか一項に記載の方法を用いて基板の周縁部の膜厚を測定する工程と、前記膜厚の測定結果に基づいて、前記基板のノッチ部の位置を決定する工程を含む、ノッチ部の検出方法。
【請求項9】
基板を研磨するための研磨装置であって、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータと、
前記基板を前記研磨パッドの研磨面に押し付ける研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドを回転させる研磨ヘッド回転モータと、
前記研磨ヘッドに連結された研磨ヘッド揺動アームと、
前記研磨ヘッド揺動アームに連結され、前記研磨ヘッドを前記研磨面に沿って揺動させる揺動モータと、
少なくとも一部が前記研磨テーブルに取り付けられ、前記基板の膜厚を測定する膜厚測定装置と、
前記研磨装置の動作を制御する動作制御部を備え、
前記動作制御部は、前記研磨ヘッド回転モータに指令を発して前記研磨ヘッドを回転させることで前記基板を回転させながら、かつ前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御しながら、前記膜厚測定装置に前記基板の膜厚を測定させるように構成されており、
前記動作制御部は、前記研磨ヘッドの回転に合わせて、前記揺動モータおよび前記テーブルモータの少なくとも一方を制御することで、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御するように構成されており、
前記動作制御部は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周縁部を少なくとも含む領域を蛇行しながら前記基板の周方向に移動するように、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御するように構成されている、研磨装置。
【請求項10】
基板を研磨するための研磨装置であって、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータと、
前記基板を前記研磨パッドの研磨面に押し付ける研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドを回転させる研磨ヘッド回転モータと、
前記研磨ヘッドに連結された研磨ヘッド揺動アームと、
前記研磨ヘッド揺動アームに連結され、前記研磨ヘッドを前記研磨面に沿って揺動させる揺動モータと、
少なくとも一部が前記研磨テーブルに取り付けられ、前記基板の膜厚を測定する膜厚測定装置と、
前記研磨装置の動作を制御する動作制御部を備え、
前記動作制御部は、前記研磨ヘッド回転モータに指令を発して前記研磨ヘッドを回転させることで前記基板を回転させながら、かつ前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御しながら、前記膜厚測定装置に前記基板の周縁部の膜厚を測定させ、前記膜厚の測定結果に基づいて、ノッチ部の位置を決定するように構成されており、
前記動作制御部は、前記研磨ヘッドの回転に合わせて、前記揺動モータおよび前記テーブルモータの少なくとも一方を制御することで、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御するように構成されており、
前記動作制御部は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周縁部を少なくとも含む領域を蛇行しながら前記基板の周方向に移動するように、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御するように構成されている、研磨装置。
【請求項11】
前記動作制御部は、前記膜厚の測定位置が周縁部の周方向に軌跡を描くように、前記研磨ヘッドの回転角度に基づいて、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御するように構成されている、請求項９または１０に記載の研磨装置。
【請求項12】
前記動作制御部は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周方向における複数の領域において、前記基板の半径方向に移動するように、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御するように構成されており、前記複数の領域は、少なくとも前記基板の周縁部を含む、請求項９または１０に記載の研磨装置。
【請求項13】
前記研磨ヘッドは、前記基板を前記研磨面に押し付けるための弾性膜を備え、前記研磨ヘッドには、前記弾性膜によって複数の圧力室が形成されており、
前記研磨装置は、前記複数の圧力室に連結された複数の圧力レギュレータをさらに備え、
前記動作制御部は、前記基板の膜厚の測定中、前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記研磨ヘッドが前記基板を前記研磨面に押し付けるように、前記複数の圧力室の圧力を調整させるように構成されている、請求項９乃至１２のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項14】
前記複数の圧力室に連結された複数の気体移送ラインと、前記複数の気体移送ラインのうちの１つに連通する真空ラインと、
前記複数の気体移送ラインのうちの１つに接続された切替弁をさらに備え、
前記弾性膜には、前記複数の圧力室のうちの１つに連通する貫通孔が形成されており、
前記動作制御部は、前記基板の膜厚の測定中、前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記基板の外周部を前記研磨面に押し付けるように、前記複数の圧力室の圧力を調整させながら、前記切替弁に指令を発して、前記複数の気体移送ラインのうちの１つと前記真空ラインを連通させることで基板の中央部を吸着させるように構成されている、請求項１３に記載の研磨装置。
【請求項15】
前記膜厚測定装置は、光学式膜厚測定装置または渦電流式膜厚測定装置である、請求項９乃至１４のいずれか一項に記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ウェーハなどの基板の膜厚を測定する膜厚測定方法および研磨装置に関する。また、本発明は、そのような膜厚測定方法を用いたノッチ部の検出方法に関する。
【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。
【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（以下、ＣＭＰという）は、シリカ（ＳｉＯ２）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ー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】
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、基板を保持するための研磨ヘッドを備えている。このような研磨装置は、研磨テーブルと研磨ヘッドとを相対運動させ、さらにスラリーなどの研磨液を研磨パッドの研磨面上に供給しながら、研磨ヘッドにより基板を研磨パッドの研磨面に押し付けるように構成される。基板の表面は、研磨液の存在下で研磨面に摺接し、研磨液の化学的作用、および研磨液に含まれる砥粒の機械的作用により、基板の表面は平坦かつ鏡面に研磨される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１２－１３８４４２号公報
【文献】特開２００５－２０５５９４号公報
【文献】特開２０１５－１９３０６８号公報
【文献】特開２０１５－２１７４４５号公報
【文献】特開２０２０－１０４２０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
通常、ウェーハなどの基板は、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が、ＣＭＰの前工程や研磨の不均一性に起因して基板の膜厚がばらつく場合がある。ＣＭＰの前工程での膜厚ばらつきの要因としては、基板の平坦度や膜付け処理装置でのばらつきに起因するものがある。
【0007】
基板の膜厚がばらつく場合、ばらつきを解消するための研磨が必要となるが、ばらつきを解消させるためには基板の膜厚分布を正確に把握する必要がある。従来から研磨テーブルに設置された膜厚センサを用いて基板の研磨中に基板の膜厚を測定する方法がある。このような方法では、膜厚センサが基板を横切る間に基板上の複数の測定点における膜厚を測定するが、測定点は、基板の回転速度、膜厚センサの設置位置、研磨時間などに依存するため、精密な膜厚測定が行えないことがある。
【0008】
また、研磨装置とは別に設置された膜厚測定器で基板の膜厚分布を測定する方法があるが、そのような膜厚測定器で測定された膜厚分布に基づいて、膜厚のばらつきを解消するための研磨を行う場合、研磨中、膜厚測定器で測定した基板の膜厚の測定値に対応する基板上の位置を把握することが難しいという問題がある。
【0009】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、基板の膜厚分布を正確に把握することができる膜厚測定方法および研磨装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、膜厚の複数の測定値に対応する基板上の位置を把握するために基板のノッチ部の位置を正確に検出する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】
一態様では、少なくとも一部が研磨パッドを支持する研磨テーブルに設置された膜厚測定装置を用いた基板の膜厚測定方法であって、研磨ヘッドによって、前記基板を前記研磨パッドの研磨面上で回転させながら、かつ前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御しながら前記基板の膜厚を測定する、膜厚測定方法が提供される。
【0011】
一態様では、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程は、前記研磨ヘッドの回転に合わせて、前記研磨ヘッドを前記研磨面に沿って揺動させる揺動モータおよび前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータの少なくとも一方を制御する工程を含む。
一態様では、前記基板の膜厚の測定中、前記研磨ヘッドが前記基板を前記研磨面に押し付けるように、前記研磨ヘッドの弾性膜によって形成された複数の圧力室の圧力を調整する。
一態様では、前記基板の中央部を吸着しながら、前記基板の外周部を前記研磨面に押し付けるように、前記複数の圧力室の圧力を調整する。
一態様では、前記膜厚測定装置は、光学式膜厚測定装置または渦電流式膜厚測定装置である。
一態様では、前記膜厚の測定箇所は前記基板の周縁部である。
一態様では、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程は、前記膜厚の測定位置が前記周縁部の周方向に軌跡を描くように、前記研磨ヘッドの回転角度に基づいて、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程である。
一態様では、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周方向における複数の領域において、前記基板の半径方向に移動するように、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程であり、前記複数の領域は、少なくとも前記基板の周縁部を含む。
一態様では、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周縁部を少なくとも含む領域を蛇行しながら前記基板の周方向に移動するように、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程である。
一態様では、前記基板の膜厚の測定中、前記研磨ヘッドが前記基板を前記研磨面に押し付けるように、前記研磨ヘッドの弾性膜によって形成された複数の圧力室の圧力を調整する。
一態様では、前記基板の中央部を吸着しながら、前記基板の外周部を前記研磨面に押し付けるように、前記複数の圧力室の圧力を調整する。
一態様では、前記膜厚測定装置は、光学式膜厚測定装置または渦電流式膜厚測定装置である。
一態様では、前記膜厚の測定箇所は前記基板の周縁部である。
一態様では、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程は、前記膜厚の測定位置が前記周縁部の周方向に軌跡を描くように、前記研磨ヘッドの回転角度に基づいて、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程である。
一態様では、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周方向における複数の領域において、前記基板の半径方向に移動するように、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程であり、前記複数の領域は、少なくとも前記基板の周縁部を含む。
一態様では、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周縁部を少なくとも含む領域を蛇行しながら前記基板の周方向に移動するように、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御する工程である。
【0012】
一態様では、上記方法を用いて基板の周縁部の膜厚を測定する工程と、前記膜厚の測定結果に基づいて、前記基板のノッチ部の位置を決定する工程を含む、ノッチ部の検出方法が提供される。
【0013】
一態様では、基板を研磨するための研磨装置であって、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータと、前記基板を前記研磨パッドの研磨面に押し付ける研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドを回転させる研磨ヘッド回転モータと前記研磨ヘッドに連結された研磨ヘッド揺動アームと、前記研磨ヘッド揺動アームに連結され、前記研磨ヘッドを前記研磨面に沿って揺動させる揺動モータと、少なくとも一部が前記研磨テーブルに取り付けられ、前記基板の膜厚を測定する膜厚測定装置と、前記研磨装置の動作を制御する動作制御部を備え、前記動作制御部は、前記研磨ヘッド回転モータに指令を発して前記研磨ヘッドを回転させることで前記基板を回転させながら、かつ前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御しながら、前記膜厚測定装置に前記基板の膜厚を測定させるように構成されている、研磨装置が提供される。
【0014】
一態様では、基板を研磨するための研磨装置であって、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータと、前記基板を前記研磨パッドの研磨面に押し付ける研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドを回転させる研磨ヘッド回転モータと、前記研磨ヘッドに連結された研磨ヘッド揺動アームと、前記研磨ヘッド揺動アームに連結され、前記研磨ヘッドを前記研磨面に沿って揺動させる揺動モータと、少なくとも一部が前記研磨テーブルに取り付けられ、前記基板の膜厚を測定する膜厚測定装置と、前記研磨装置の動作を制御する動作制御部を備え、前記動作制御部は、前記研磨ヘッド回転モータに指令を発して前記研磨ヘッドを回転させることで前記基板を回転させながら、かつ前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御しながら、前記膜厚測定装置に前記基板の周縁部の膜厚を測定させ、前記膜厚の測定結果に基づいて、ノッチ部の位置を決定するように構成されている、研磨装置が提供される。
【0015】
一態様では、前記動作制御部は、前記研磨ヘッドの回転に合わせて、前記揺動モータおよび前記テーブルモータの少なくとも一方を制御することで、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御するように構成されている。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚の測定位置が周縁部の周方向に軌跡を描くように、前記研磨ヘッドの回転角度に基づいて、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御するように構成されている。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周方向における複数の領域において、前記基板の半径方向に移動するように、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御するように構成されており、前記複数の領域は、少なくとも前記基板の周縁部を含む。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周縁部を少なくとも含む領域を蛇行しながら前記基板の周方向に移動するように、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御するように構成されている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記基板を前記研磨面に押し付けるための弾性膜を備え、前記研磨ヘッドには、前記弾性膜によって複数の圧力室が形成されており、前記研磨装置は、前記複数の圧力室に連結された複数の圧力レギュレータをさらに備え、前記動作制御部は、前記基板の膜厚の測定中、前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記研磨ヘッドが前記基板を前記研磨面に押し付けるように、前記複数の圧力室の圧力を調整させるように構成されている。
一態様では、前記複数の圧力室に連結された複数の気体移送ラインと、前記複数の気体移送ラインのうちの１つに連通する真空ラインと、前記複数の気体移送ラインのうちの１つに接続された切替弁をさらに備え、前記弾性膜には、前記複数の圧力室のうちの１つに連通する貫通孔が形成されており、前記動作制御部は、前記基板の膜厚の測定中、前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記基板の外周部を前記研磨面に押し付けるように、前記複数の圧力室の圧力を調整させながら、前記切替弁に指令を発して、前記複数の気体移送ラインのうちの１つと前記真空ラインを連通させることで基板の中央部を吸着させるように構成されている。
一態様では、前記膜厚測定装置は、光学式膜厚測定装置または渦電流式膜厚測定装置である。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚の測定位置が周縁部の周方向に軌跡を描くように、前記研磨ヘッドの回転角度に基づいて、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御するように構成されている。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周方向における複数の領域において、前記基板の半径方向に移動するように、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御するように構成されており、前記複数の領域は、少なくとも前記基板の周縁部を含む。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周縁部を少なくとも含む領域を蛇行しながら前記基板の周方向に移動するように、前記研磨ヘッドに対する前記膜厚測定装置の相対的な位置を制御するように構成されている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記基板を前記研磨面に押し付けるための弾性膜を備え、前記研磨ヘッドには、前記弾性膜によって複数の圧力室が形成されており、前記研磨装置は、前記複数の圧力室に連結された複数の圧力レギュレータをさらに備え、前記動作制御部は、前記基板の膜厚の測定中、前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記研磨ヘッドが前記基板を前記研磨面に押し付けるように、前記複数の圧力室の圧力を調整させるように構成されている。
一態様では、前記複数の圧力室に連結された複数の気体移送ラインと、前記複数の気体移送ラインのうちの１つに連通する真空ラインと、前記複数の気体移送ラインのうちの１つに接続された切替弁をさらに備え、前記弾性膜には、前記複数の圧力室のうちの１つに連通する貫通孔が形成されており、前記動作制御部は、前記基板の膜厚の測定中、前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記基板の外周部を前記研磨面に押し付けるように、前記複数の圧力室の圧力を調整させながら、前記切替弁に指令を発して、前記複数の気体移送ラインのうちの１つと前記真空ラインを連通させることで基板の中央部を吸着させるように構成されている。
一態様では、前記膜厚測定装置は、光学式膜厚測定装置または渦電流式膜厚測定装置である。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、研磨ヘッドに対する膜厚測定装置の相対的な位置を制御しながら、基板の膜厚を測定する。これにより、膜厚の測定精度を向上させることができ、基板の膜厚分布を正確に把握することができ、基板のノッチ部の位置を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】基板の周縁部を示す拡大断面図である。
【図2】基板のノッチ部を模式的に示す平面図である。
【図3】研磨装置の一実施形態を示す模式図である。
【図4】処理システムによって生成されたスペクトルの一例を示す図である。
【図5】基板Ｗの表面（被研磨面）上の複数の測定点の一例を示す模式図である。
【図6】局所荷重付与装置を示す斜視図である。
【図7】研磨ヘッドの断面図である。
【図8】ローラーと円環レールとを示す斜視図である。
【図9】基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図10】基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図11】膜厚センサの位置を示す図である。
【図12】膜厚の測定位置の軌跡を示す図である。
【図13】膜厚の測定位置の軌跡を示す図である。
【図14】膜厚測定方法の他の実施形態を示す模式図である。
【図15】膜厚測定方法の他の実施形態を示す模式図である。
【図16】基板の周縁部の膜厚分布の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
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。
本明細書では、基板の周縁部を、基板の最外周に位置するベベル部と、このベベル部の半径方向内側に位置するトップエッジ部およびボトムエッジ部と、結晶方位を特定するために基板の周縁部に形成されたノッチ部とを含む領域として定義する。
本明細書では、基板の周縁部を、基板の最外周に位置するベベル部と、このベベル部の半径方向内側に位置するトップエッジ部およびボトムエッジ部と、結晶方位を特定するために基板の周縁部に形成されたノッチ部とを含む領域として定義する。
【0019】
図１は、基板の周縁部を示す拡大断面図である。ベベル部は、基板Ｗの最外周面を構成する部分（符号Ｂで示す）である。トップエッジ部は、ベベル部Ｂよりも半径方向内側に位置する平坦部Ｅ１である。ボトムエッジ部は、トップエッジ部とは反対側に位置し、ベベル部Ｂよりも半径方向内側に位置する平坦部Ｅ２である。トップエッジ部Ｅ１は、デバイスが形成された領域を含むこともある。
【0020】
【0021】
図３は、研磨装置の一実施形態を示す模式図である。図３に示すように、研磨装置は、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、研磨テーブル３を回転させるテーブルモータ６と、ウェーハなどの基板Ｗを研磨パッド２に押し付けて回転させる研磨ヘッド１と、研磨ヘッド１を回転させる研磨ヘッド回転モータ１２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の自由端に取り付けられたヘッドシャフト１０と、研磨パッド２上にスラリーなどの研磨液を供給するための研磨液供給ノズル５と、基板Ｗの膜厚を測定する膜厚測定装置４０と、研磨装置の動作を制御するための動作制御部９を備えている。研磨パッド２の上面は、基板Ｗを研磨する研磨面２ａを構成する。研磨ヘッド揺動アーム１６は、研磨テーブル３の上方に配置されており、研磨パッド２の研磨面２ａと平行に配置されている。
【0022】
研磨ヘッド１はヘッドシャフト１０に連結されており、研磨ヘッド揺動アーム１６は、ヘッドシャフト１０を介して研磨ヘッド１に連結されている。ヘッドシャフト１０は、研磨ヘッド回転モータ１２に連結されている。研磨ヘッド回転モータ１２は、研磨ヘッド１をヘッドシャフト１０とともに矢印で示す方向に回転させる。ヘッドシャフト１０は、図示しない昇降装置に連結されている。研磨ヘッド１は、昇降装置によってヘッドシャフト１０とともに上昇および下降されるようになっている。本実施形態では、研磨ヘッド回転モータ１２は、研磨ヘッド揺動アーム１６内に配置されているが、一実施形態では、研磨ヘッド回転モータ１２は、研磨ヘッド揺動アーム１６の外側に配置されてもよい。
【0023】
研磨装置は、研磨ヘッド揺動アーム１６に連結され、研磨ヘッド１を研磨面２ａに沿って揺動させる揺動モータ１５をさらに備えている。本実施形態では、揺動モータ１５は、支軸１４内に配置されている。研磨ヘッド揺動アーム１６は、揺動モータ１５によって支軸１４を中心に回転可能に構成されている。研磨ヘッド１は、研磨ヘッド揺動アーム１６の旋回により、基板Ｗの図示しない受取位置と研磨テーブル３の上方位置との間を移動される。
【0024】
一実施形態では、研磨ヘッド揺動アーム１６は支軸１４に固定され、揺動モータ１５は支軸１４に連結されていてもよく、揺動モータ１５は、支軸１４の回転軸を中心に支軸１４と研磨ヘッド揺動アーム１６とを一体に回転させるように構成されていてもよい。
【0025】
研磨テーブル３はテーブルモータ６に連結されており、テーブルモータ６は研磨テーブル３および研磨パッド２を矢印で示す方向に回転させ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の回転方向は、本実施形態に限定されない。
【0026】
以下、本明細書では、テーブルモータ６、研磨ヘッド回転モータ１２、および揺動モータ１５を総称して、モータ６，１２，１５と呼ぶことがある。モータ６，１２，１５は、それらの回転角度を制御可能に構成されている、モータ６，１２，１５の例としてサーボモータが挙げられる。テーブルモータ６には、研磨テーブル３の回転角度を検出する角度検出器１７が取り付けられており、研磨ヘッド回転モータ１２には、研磨ヘッド１の回転角度を検出する角度検出器１８が取り付けられており、揺動モータ１５には、研磨ヘッド揺動アーム１６の回転角度（すなわち、研磨ヘッド１の支軸１４周りの回転角度）を検出する角度検出器１９が取り付けられている。角度検出器１７，１８，１９の例としてロータリーエンコーダが挙げられる。
【0027】
動作制御部９は、プログラムが格納された記憶装置９ａ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９ｂを備えている。演算装置９ｂは、記憶装置９ａに格納されているプログラムに含まれる命令に従って演算を行うＣＰＵ（中央処理装置）またはＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）などを含む。記憶装置９ａは、演算装置９ｂがアクセス可能な主記憶装置（例えばランダムアクセスメモリ）と、データおよびプログラムを格納する補助記憶装置（例えば、ハードディスクドライブまたはソリッドステートドライブ）を備えている。動作制御部９は、少なくとも１台のコンピュータから構成されている。ただし、動作制御部９の具体的構成はこの例に限定されない。
【0028】
動作制御部９は、図示しない昇降装置、モータ６，１２，１５、角度検出器１７，１８，１９、膜厚測定装置４０、および研磨液供給ノズル５に電気的に接続されている。昇降装置、モータ６，１２，１５、角度検出器１７，１８，１９、膜厚測定装置４０、および研磨液供給ノズル５の動作は動作制御部９によって制御される。
【0029】
膜厚測定装置４０の一部は、研磨テーブル３に取り付けられている。本実施形態の膜厚測定装置４０は、基板Ｗの表面に光を導き、基板Ｗからの反射光の強度測定データに基づいて基板Ｗの膜厚を決定する光学式膜厚測定装置である。光学式膜厚測定装置４０は、膜厚センサ４１と、膜厚センサ４１に連結された処理システム４９を備えている。膜厚センサ４１は、研磨テーブル３に取り付けられており、研磨テーブル３および研磨パッド２とともに一体に回転する。膜厚センサ４１は、光を発する光源４４と、分光器４７と、光源４４および分光器４７に連結された光学センサヘッド７と、を備えている。処理システム４９は、分光器４７に連結されている。光学センサヘッド７の位置は、研磨テーブル３および研磨パッド２が一回転するたびに研磨パッド２上の基板Ｗの表面を横切る位置である。一実施形態では、膜厚測定装置４０の全体が研磨テーブル３に取り付けられていてもよい。
【0030】
処理システム４９は、後述するスペクトルの生成および基板Ｗの膜厚検出を実行するためのプログラムなどのプログラムが格納された記憶装置４９ａ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４９ｂを備えている。演算装置４９ｂは、記憶装置９ａに格納されているプログラムに含まれる命令に従って演算を行うＣＰＵ（中央処理装置）またはＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）などを含む。記憶装置４９ａは、演算装置４９ｂがアクセス可能な主記憶装置（例えばランダムアクセスメモリ）と、データおよびプログラムを格納する補助記憶装置（例えば、ハードディスクドライブまたはソリッドステートドライブ）を備えている。処理システム４９は、少なくとも１台のコンピュータから構成されている。ただし、処理システム４９の具体的構成はこの例に限定されない。
【0031】
光源４４から発せられた光は、光学センサヘッド７に伝送され、光学センサヘッド７から基板Ｗの表面に導かれる。光は基板Ｗの表面で反射し、基板Ｗの表面からの反射光は光学センサヘッド７によって受けられ、分光器４７に送られる。分光器４７は反射光を波長に従って分解し、各波長での反射光の強度を測定する。反射光の強度測定データは、処理システム４９に送られる。
【0032】
処理システム４９は、反射光の強度測定データから反射光のスペクトルを生成するように構成されている。反射光のスペクトルは、反射光の波長と強度との関係を示す線グラフ（すなわち分光波形）として表される。反射光の強度は、反射率または相対反射率などの相対値として表わすこともできる。
【0033】
図４は、処理システム４９によって生成されたスペクトルの一例を示す図である。スペクトルは、光の波長と強度との関係を示す線グラフ（すなわち分光波形）として表される。図４において、横軸は基板から反射した光の波長を表わし、縦軸は反射した光の強度から導かれる相対反射率を表わす。相対反射率とは、反射光の強度を示す指標値であり、光の強度と所定の基準強度との比である。各波長において光の強度（実測強度）を所定の基準強度で割ることにより、装置の光学系や光源固有の強度のばらつきなどの不要なノイズを実測強度から除去することができる。
【0034】
基準強度は、各波長について予め測定された光の強度であり、相対反射率は各波長において算出される。具体的には、各波長での光の強度（実測強度）を、対応する基準強度で割り算することにより相対反射率が求められる。基準強度は、例えば、光学センサヘッド７から発せられた光の強度を直接測定するか、または光学センサヘッド７から鏡に光を照射し、鏡からの反射光の強度を測定することによって得られる。あるいは、基準強度は、膜が形成されていないシリコン基板（ベア基板）を研磨パッド２上で水の存在下で水研磨しているとき、または上記シリコン基板（ベア基板）が研磨パッド２上に置かれているときに、分光器４７により測定されたシリコン基板からの反射光の強度としてもよい。
【0035】
実際の研磨では、実測強度からダークレベル（光を遮断した条件下で得られた背景強度）を引き算して補正実測強度を求め、さらに基準強度から上記ダークレベルを引き算して補正基準強度を求め、そして、補正実測強度を補正基準強度で割り算することにより、相対反射率が求められる。具体的には、相対反射率Ｒ（λ）は、次の式（１）を用いて求めることができる。
ここで、λは基板から反射した光の波長であり、Ｅ（λ）は波長λでの強度であり、Ｂ（λ）は波長λでの基準強度であり、Ｄ（λ）は光を遮断した条件下で測定された波長λでの背景強度（ダークレベル）である。
【数1】
【0036】
光学センサヘッド７は、研磨テーブル３が一回転するたびに、基板Ｗの表面（被研磨面）に光を導き、基板Ｗからの反射光を受ける。反射光は分光器４７に送られる。分光器４７は反射光を波長に従って分解し、各波長での反射光の強度を測定する。反射光の強度測定データは、処理システム４９に送られ、処理システム４９は反射光の強度測定データから図２に示すようなスペクトルを生成する。さらに、処理システム４９は、反射光のスペクトルから基板Ｗの膜厚を決定する。反射光のスペクトルは、基板Ｗの膜厚に従って変化する。したがって、処理システム４９は、反射光のスペクトルから基板Ｗの膜厚を決定することができる。反射光のスペクトルから基板Ｗの膜厚を決定する具体的な方法は、公知の技術を用いることができる。図４に示す例では、反射光のスペクトルは、相対反射率と反射光の波長との関係を示す分光波形であるが、反射光のスペクトルは、反射光の強度自体と、反射光の波長との関係を示す分光波形であってもよい。
【0037】
処理システム４９は、決定した基板Ｗの膜厚データを動作制御部９に送信する。動作制御部９は、基板Ｗの膜厚に基づいて、基板Ｗの研磨動作を制御する。例えば、動作制御部９は、後述する圧力レギュレータに指令を発して基板Ｗの膜厚に基づいて基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力を調整させる。
【0038】
本実施形態の光学式膜厚測定装置４０は、基板Ｗ上の複数の測定点での複数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、光学センサヘッド７が基板Ｗを一回横切る間、光学センサヘッド７は基板Ｗ上の複数の測定点に光を放ち、これら複数の測定点からの反射光を受ける。
【0039】
本実施形態では、１つの膜厚センサ４１のみが研磨テーブル３内に設けられているが、複数の膜厚センサ４１が研磨テーブル３内に設けられてもよい。さらに一実施形態では、複数の光学センサヘッド７と、複数の光学センサヘッド７に連結された１つの光源４４と、複数の光学センサヘッド７に連結された１つの分光器４７が研磨テーブル３内に設けられていてもよい。複数の膜厚センサ４１（または複数の光学センサヘッド７）を設けることで基板Ｗ上の膜厚の測定点が増え、より正確な膜厚プロファイルを取得することができる。
【0040】
図５は、基板Ｗの表面（被研磨面）上の複数の測定点の一例を示す模式図である。図５に示すように、光学センサヘッド７は、基板Ｗを横切るたびに、複数の測定点ＭＰに光を導き、これら複数の測定点ＭＰからの反射光を受ける。したがって、処理システム４９は、光学センサヘッド７が基板Ｗを横切るたびに（すなわち、研磨テーブル３が一回転するたびに）、複数の測定点ＭＰからの反射光の複数のスペクトルを生成し、複数のスペクトルに基づいて、それぞれの測定点ＭＰにおける膜厚を決定する。各測定点ＭＰの位置は、光の照射タイミング、研磨テーブル３の回転速度、研磨ヘッド１の位置、および研磨ヘッド１の回転速度等に基づいて決定される。
【0041】
一実施形態では、膜厚測定装置４０は、渦電流式膜厚測定装置であってもよく、膜厚センサ４１は、渦電流センサであってもよい。渦電流センサは、そのセンサコイルが基板Ｗの導電性膜内に磁束を通過させて渦電流を発生させることにより、基板Ｗの膜厚に応じた渦電流を検出し、渦電流信号を出力する。渦電流信号は、処理システム４９に送られる。処理システム４９は、渦電流信号に基づいて基板Ｗの膜厚を決定する。渦電流センサは、研磨テーブル３が一回転するたびに、渦電流を検出し、図５を参照して説明した実施形態と同様に、基板Ｗを一回横切る間、複数の測定点ＭＰにおける渦電流を検出し、それぞれの測定点ＭＰにおける渦電流信号を出力する。処理システム４９は、複数の渦電流信号に基づいて、それぞれの測定点ＭＰにおける膜厚を決定する。
【0042】
研磨ヘッド１は、基板Ｗを研磨パッド２に押し付けるヘッド本体２１と、基板Ｗを囲むように配置されたリテーナリング６０とを備えている。ヘッド本体２１およびリテーナリング６０は、ヘッドシャフト１０と一体に回転するように構成されている。リテーナリング６０は、ヘッド本体２１とは独立して上下動可能に構成されている。リテーナリング６０は、ヘッド本体２１から半径方向外側に張り出している。基板Ｗの研磨中、リテーナリング６０は研磨パッド２の研磨面２ａに接触し、回転しながら基板Ｗの外側で研磨パッド２を押し付ける。
【0043】
研磨装置は、内部に複数のローラー（後述する）が配置された回転リング５１と、静止リング９１をさらに備えている。回転リング５１は、リテーナリング６０の上面に固定されており、リテーナリング６０と共に回転可能に構成されている。静止リング９１は、回転リング５１上に配置されている。回転リング５１は、研磨ヘッド１と共に回転するが、静止リング９１は回転せず、静止している。
【0044】
研磨装置は、静止リング９１の一部に局所荷重を加える局所荷重付与装置３０をさらに備えている。局所荷重付与装置３０は、リテーナリング６０の上方に配置されており、研磨ヘッド揺動アーム１６に固定されている。研磨中のリテーナリング６０はその軸心周りに回転するが、局所荷重付与装置３０はリテーナリング６０とは一体に回転せず、静止している。静止リング９１は、局所荷重付与装置３０に連結されている。
【0045】
図６は局所荷重付与装置３０を示す斜視図である。図６に示すように、局所荷重付与装置３０は、静止リング９１に下向きの局所荷重を与える２つの押圧ロッド３１と、ブリッジ３２と、エアシリンダ（荷重発生装置）３３と、エアシリンダ３３内の圧縮気体の圧力を調節する荷重発生用圧力レギュレータＲ１と、リニアガイド３８と、ガイドロッド３９と、ユニットベース３４を備えている。以下、荷重発生用圧力レギュレータＲ１を単に圧力レギュレータＲ１と呼ぶ。
【0046】
ユニットベース３４は研磨ヘッド揺動アーム１６（図３参照）に固定されている。ユニットベース３４にはエアシリンダ３３およびリニアガイド３８が取り付けられている。エアシリンダ３３のピストンロッド３３ａおよびガイドロッド３９は、ブリッジ３２に接続されている。ガイドロッド３９はリニアガイド３８により低摩擦で上下動自在に支持されている。
【0047】
エアシリンダ３３によって発生した荷重はブリッジ３２に伝えられる。ブリッジ３２は２つの押圧ロッド（押圧部材）３１により静止リング９１に接続されており、押圧ロッド３１はブリッジ３２に加えられたエアシリンダ３３の荷重を静止リング９１に伝達する。このようにして、押圧ロッド３１は静止リング９１の一部に局所荷重を加える。局所荷重付与装置３０は、静止リング９１および回転リング５１を介してリテーナリング６０の一部に下向きの局所荷重を与える。すなわち、下向きの局所荷重は、静止リング９１および回転リング５１を通じてリテーナリング６０に伝達される。
【0048】
エアシリンダ３３と圧力レギュレータＲ１との組み合わせは、押圧ロッド３１から静止リング９１に加えられる局所荷重を調節するアクチュエータを構成する。一実施形態では、上記局所荷重を調節するアクチュエータは、サーボモータと、ボールねじ機構と、モータドライバとの組み合わせから構成されてもよい。
【0049】
エアシリンダ３３は、気体移送ラインＦ１を通じて圧縮気体供給源（図示せず）に接続されている。圧力レギュレータＲ１は、気体移送ラインＦ１に設けられている。圧縮気体供給源からの圧縮気体は、圧力レギュレータＲ１を通ってエアシリンダ３３に供給される。圧力レギュレータＲ１は、動作制御部９に電気的に接続されている。基板Ｗの研磨中、動作制御部９は、圧力レギュレータＲ１に指令を出して、エアシリンダ３３内の圧縮気体の圧力を調節させる。
【0050】
基板Ｗは次のようにして研磨される。研磨テーブル３および研磨ヘッド１を図３の矢印で示す方向に回転させながら、研磨液供給ノズル５から研磨液が研磨テーブル３上の研磨パッド２の研磨面２ａに供給される。基板Ｗは研磨ヘッド１によって回転されながら、研磨パッド２上に研磨液が存在した状態で研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けられる。基板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または研磨パッド２の機械的作用により研磨される。
【0051】
研磨装置は、必要に応じて局所荷重付与装置３０から静止リング９１に局所荷重を加えながら基板Ｗを研磨する。このとき、リテーナリング６０は研磨パッド２の研磨面２ａに接触し、回転しながら基板Ｗの外側で研磨パッド２を押し付け、かつ研磨面２ａの一部に下向きの局所荷重を与える。基板Ｗの研磨中にリテーナリング６０の一部に下向きの局所荷重を与える理由は、基板Ｗの周縁部のプロファイルを積極的に制御するためである。
【0052】
リテーナリング６０が研磨面２ａの一部に下向きの局所荷重を与えると、研磨面２ａの一部が上方に盛り上がる。上方に盛り上がった研磨面２ａは基板Ｗに局所的な上向きの力（局所反発力）を加える。局所反発力を受けた部分の基板Ｗの研磨レートは大きくなる。局所反発力の大きさはリテーナリング６０が研磨パッド２を押し付ける力の大きさに依存し、局所反発力の大きさに依存して研磨レートは変化する。すなわち、局所反発力が大きくなるほど、研磨レートは大きくなる。局所反発力が発生する位置は、リテーナリング６０が研磨面２ａに与える局所荷重位置に依存する。例えば、動作制御部９は、局所荷重を上げたいときは、圧力レギュレータＲ１に指令を発して、エアシリンダ３３内の圧縮気体の圧力を上昇させる。
【0053】
次に、研磨ヘッド１の詳細について説明する。図７は、研磨ヘッド１の断面図である。ヘッド本体２１は、ヘッドシャフト１０（図１参照）に連結されたキャリア６３と、基板Ｗを研磨面２ａに押し付けるための弾性膜（メンブレン）６５と、キャリア６３に対するリテーナリング６０の傾動および上下移動を許容しつつリテーナリング６０を支持する球面軸受６６とを備えている。リテーナリング６０は連結部材７５を介して球面軸受６６に連結され、支持されている。連結部材７５はキャリア６３内で上下動可能に配置されている。弾性膜（メンブレン）６５は、キャリア６３の下面に取り付けられている。
【0054】
弾性膜６５の下面は、基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付ける押圧面６５ａを構成する。キャリア６３と弾性膜６５との間には４つの圧力室７０，７１，７２，７３が形成されている。中央の圧力室７０は円形であり、他の圧力室７１，７２，７３は環状である。これらの圧力室７０，７１，７２，７３は、同心上に配列されている。本実施形態では、弾性膜６５は、４つの圧力室７０～７３を形成するが、上述の圧力室の数は例示であり、適宜変更してもよい。
【0055】
圧力室７０，７１，７２，７３にはそれぞれ気体移送ラインＦ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５が連結されている。気体移送ラインＦ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５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Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５を通じて圧力室７０，７１，７２，７３にそれぞれ供給されるようになっている。圧力室７０～７３に圧縮気体が供給されることで、弾性膜６５が膨らみ、圧力室７０～７３内の圧縮気体は、弾性膜６５を介して基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。圧力室７０～７３は、基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けるためのアクチュエータとして機能する。
【0056】
弾性膜６５には、複数の圧力室７０～７３のうちの１つに連通する貫通孔６５ｂが形成されている。具体的には、圧力室７０を構成する弾性膜６５の部位には貫通孔６５ｂが形成されており、貫通孔６５ｂは圧力室７０に連通している。圧力室７０に連通する気体移送ラインＦ２には切替弁７４が接続されている。気体移送ラインＦ２は、切替弁７４を介して真空ラインＶ１に連結されており、圧力室７０内に真空を形成することが可能となっている。真空ラインＶ１の一端は、図示しない真空ポンプなどの真空装置に接続されている。切替弁７４は、動作制御部９に電気的に接続されており、動作制御部９は切替弁７４に指令を発して真空ラインＶ１を気体移送ラインＦ２に連通させる。これにより、圧力室７０に真空が形成される。
【0057】
圧力室７０に真空を形成することにより基板Ｗの中央部が吸着され、基板Ｗが研磨ヘッド１に吸着保持される。また、この圧力室７０に圧縮気体を供給することにより、基板Ｗが研磨ヘッド１からリリースされる。弾性膜６５は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコーンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。一実施形態では、弾性膜６５には、複数の圧力室７０～７３に連通する複数の貫通孔が形成されていてもよい。さらに一実施形態では、気体移送ラインＦ２～Ｆ５のうちの２つ以上の気体移送ラインに切替弁が接続されていてもよく、２つ以上の気体移送ラインは、切替弁を介して真空ラインに接続されていてもよい。切替弁の一例として三方弁が挙げられる。
【0058】
リテーナリング６０は、基板Ｗおよび弾性膜６５の押圧面６５ａを囲むように配置されている。このリテーナリング６０は、研磨パッド２に接触するリング部材６０ａと、このリング部材６０ａの上部に固定されたドライブリング６０ｂとを有している。リング部材６０ａは、図示しない複数のボルトによってドライブリング６０ｂに結合されている。
【0059】
連結部材７５は、ヘッド本体２１の中心部に配置された軸部７６と、この軸部７６から放射状に延びる複数のスポーク７８とを備えている。軸部７６はヘッド本体２１の中央部に配置された球面軸受６６内を縦方向に延びている。軸部７６は、球面軸受６６に縦方向に移動自在に支持されている。ドライブリング６０ｂはスポーク７８に接続されている。このような構成により、連結部材７５およびこれに接続されたリテーナリング６０は、ヘッド本体２１に対して縦方向に移動可能となっている。
【0060】
球面軸受６６は、内輪６８と、内輪６８の外周面を摺動自在に支持する外輪６９とを備えている。内輪６８は、連結部材７５を介してリテーナリング６０に連結されている。外輪６９はキャリア６３に固定されている。連結部材７５の軸部７６は、内輪６８に上下動自在に支持されている。リテーナリング６０は、連結部材７５を介して球面軸受６６により傾動可能に支持されている。
【0061】
球面軸受６６は、リテーナリング６０の上下移動および傾動を許容する一方で、リテーナリング６０の横方向の移動（水平方向の移動）を制限する。基板Ｗの研磨中は、リテーナリング６０は基板Ｗと研磨パッド２との摩擦に起因した横方向の力（基板Ｗの半径方向外側に向かう力）を基板Ｗから受ける。この横方向の力は球面軸受６６によって受けられる。このように、球面軸受６６は、基板Ｗの研磨中に、基板Ｗと研磨パッド２との摩擦に起因してリテーナリング６０が基板Ｗから受ける横方向の力（基板Ｗの半径方向外側に向かう力）を受けつつ、リテーナリング６０の横方向の移動を制限する（すなわちリテーナリング６０の水平方向の位置を固定する）支持機構として機能する。
【0062】
キャリア６３には、複数対の駆動カラー８０が固定されている。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、キャリア６３の回転は、駆動カラー８０を介してリテーナリング６０に伝達され、これによりヘッド本体２１とリテーナリング６０とは一体に回転する。駆動カラー８０はスポーク７８に接触しているだけであり、連結部材７５およびリテーナリング６０の上下動および傾動を妨げない。
【0063】
リテーナリング６０の上部は、環状のリテーナリング押圧機構８１に連結されている。このリテーナリング押圧機構８１は、リテーナリング６０の上面（より具体的には、ドライブリング６０ｂの上面）の全体に均一な下向きの荷重を与え、リテーナリング６０の下面（すなわち、リング部材６０ａの下面）を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。
【0064】
リテーナリング押圧機構８１は、ドライブリング６０ｂの上部に固定された環状のピストン８２と、ピストン８２の上面に接続された環状のローリングダイヤフラム８３とを備えている。ローリングダイヤフラム８３の内部には圧力室８４が形成されている。この圧力室８４は、気体移送ラインＦ６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Ｆ６を通じて圧力室８４内に供給される。
【0065】
上記圧縮気体供給源から圧力室８４に圧縮気体を供給すると、ローリングダイヤフラム８３がピストン８２を下方に押し下げ、ピストン８２はリテーナリング６０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装置８１は、リテーナリング６０の下面を研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。
【0066】
気体移送ラインＦ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６は、ヘッドシャフト１０に取り付けられたロータリージョイント２５を経由して延びている。研磨装置は、複数の圧力室７０，７１，７２，７３，８４に連結された複数の圧力室用圧力レギュレータＲ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６をさらに備えている。以下、圧力室用圧力レギュレータＲ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６を単に圧力レギュレータＲ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６と呼ぶ。
【0067】
圧力レギュレータＲ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６は、気体移送ラインＦ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６に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Ｒ２～Ｒ６を通って圧力室７０～７３、および圧力室８４内にそれぞれ独立に供給される。圧力レギュレータＲ２～Ｒ６は、圧力室７０～７３、および圧力室８４内の圧縮気体の圧力を調節するように構成されている。圧力レギュレータＲ２～Ｒ６は、動作制御部９に接続されている。
【0068】
圧力レギュレータＲ２～Ｒ６は、圧力室７０～７３、および圧力室８４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、基板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、およびエッジ部における基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力、およびリテーナリング６０の研磨パッド２への押し付け力を独立に調整することができる。以下、本明細書では、基板Ｗの対応する３つの領域、すなわち、内側中間部、外側中間部、およびエッジ部を総称して外周部と呼ぶことがある。本実施形態では、弾性膜６５は、４つの圧力室７０～７３を形成するが、一実施形態では、弾性膜６５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。
【0069】
図３に示す膜厚測定装置４０によって測定された基板Ｗの複数の測定点での複数の膜厚に関する膜厚データは、動作制御部９に送られる。動作制御部９は、圧力レギュレータＲ２～Ｒ５に指令を発して、膜厚測定装置４０によって測定された複数の膜厚に基づいて基板Ｗの対応する４つの領域における基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力を独立に調整させる。一例として、動作制御部９は、基板Ｗの中央部の膜厚を他の領域の膜厚と比較し、中央部の膜厚が他の領域の膜厚よりも大きいときは、動作制御部９は、圧力レギュレータＲ２に指令を発し、圧力室７０の内部圧力を増加させる。
【0070】
回転リング５１は、複数のローラー５２と、これらローラー５２をそれぞれ支持するローラーシャフト５４と、ローラーシャフト５４が固定されるローラーハウジング５５とを備えている。ローラーハウジング５５は環状の形状を有しており、リテーナリング６０の上面に固定されている。ローラー５２は、ローラーシャフト５４に取り付けられた軸受（図示せず）を有しており、ローラー５２はローラーシャフト５４を中心として回転自在となっている。
【0071】
静止リング９１は、ローラー５２の頂部に接触する円環レール９２と、円環レール９２が固定される環状のレールベース９４とを備えている。円環レール９２の下面には、環状溝が形成されており、各ローラー５２の頂部は環状溝に接触している。ローラー５２は、円環レール９２に転がり接触しながら回転するように構成されている。レールベース９４の上部には押圧ロッド３１が連結されている。
【0072】
図８は、ローラー５２と円環レール９２とを示す斜視図である。ウェーハの研磨中、複数のローラー５２はリテーナリング２０と一体に回転する一方で、円環レール９２は静止している。したがって、各ローラー５２は、円環レール９２に転がり接触する。ローラー５２は、荷重の作用点（押圧ロッド３１の直下）を通過する際にのみ荷重を受ける。局所荷重付与装置３０の下向きの局所荷重は円環レール９２からローラー５２に伝達され、ローラー５２を通じてリテーナリング２０に伝達される。
【0073】
以下、基板Ｗの膜厚測定方法、およびそのような方法を用いて測定した膜厚に基づいて基板Ｗの膜厚ばらつきを修正する研磨方法、およびノッチ部の検出方法について、図９および図１０に示すフローチャートに従って説明する。図９および図１０は、基板Ｗの研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。本実施形態では、基板Ｗの膜厚測定方法、基板Ｗの膜厚ばらつきを修正する研磨方法、およびノッチ部の検出方法は一連の研磨工程に組み込まれている。以下、一例として基板Ｗの周縁部の膜厚測定方法および周縁部の膜厚ばらつきを修正する研磨方法について説明する。
【0074】
ステップ１～ステップ５では、研磨装置は初期研磨工程を実施する。初期研磨工程では、研磨装置は、基板Ｗ上の複数の測定点での複数の膜厚を測定し、複数の膜厚に基づいて基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力を調整しながら基板Ｗを研磨する。初期研磨工程は、基板Ｗの膜厚が予め定められた膜厚しきい値に到達するか、または研磨時間が予め定められた初期研磨終了時間に到達するまで行われる。
【0075】
ステップ１では研磨装置は、研磨を開始する。すなわち、テーブルモータ６は、研磨テーブル３を研磨パッド２と一体に一定の回転速度で回転させ、研磨ヘッド回転モータ１２は研磨ヘッド１を一定の回転速度で回転させることで、基板Ｗを一定の回転速度で回転させる。研磨ヘッド１は、さらに基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けて、基板Ｗの研磨を開始する。
【0076】
ステップ２では、膜厚測定装置４０は、基板Ｗ上の複数の測定点での複数の膜厚を測定する。具体的には、光学式膜厚測定装置４０は、光学センサヘッド７が基板Ｗを横切るとき、基板Ｗに複数回光を照射し、複数の反射光の各波長での強度を測定する。光学式膜厚測定装置４０は、複数の反射光の強度測定データから反射光の複数のスペクトルを生成する。光学式膜厚測定装置４０は、複数のスペクトルに基づいて、各測定点における複数の膜厚を決定する。動作制御部９は、光学式膜厚測定装置４０に指令を発してステップ２を実行させる。
【0077】
ステップ３では、ステップ２で測定された複数の膜厚に基づいて基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力を調整する。具体的には、動作制御部９は、ステップ２で測定された膜厚データを光学式膜厚測定装置４０から取得し、複数の膜厚に基づいて、研磨ヘッド１の圧力室７０～７３の内部圧力を決定し、圧力レギュレータＲ２～Ｒ５のうちの少なくとも１つに指令を発して基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力を調整させる。
【0078】
ステップ４では、動作制御部９は、基板Ｗの膜厚を表す膜厚指標値を、予め定められた膜厚しきい値と比較する。膜厚指標値が膜厚しきい値に達していない場合、ステップ２に戻り、膜厚指標値が膜厚しきい値に達した場合、後述するステップ５を実行する。一実施形態では、動作制御部９は、取得した複数の測定点における複数の膜厚データに基づいて、基板Ｗの膜厚の平均値を算出し、膜厚の平均値を膜厚指標値としてもよく、複数の膜厚の最大値または最小値を膜厚指標値としてもよく、複数の測定点から任意に選択された１つの測定点における膜厚を膜厚指標値としてもよい。
【0079】
さらに一実施形態では、動作制御部９は、現在の研磨時間を予め定められた初期研磨終了時間と比較し、研磨時間が初期研磨終了時間に達していない場合、ステップ２に戻り、研磨時間が初期研磨終了時間に達した場合、後述するステップ５を実行してもよい。上述した膜厚しきい値および初期研磨終了時間は、後述する修正研磨工程で、基板Ｗの膜厚のばらつきを修正するために必要な膜厚または研磨時間に基づいて決定される。
【0080】
ステップ５では、動作制御部９は、基板Ｗの周縁部の複数の測定点における複数の膜厚のばらつきを算出する。一実施形態では、周縁部の膜厚のばらつきは、標準偏差で表されてもよく、周縁部における複数の膜厚の最大値と最小値との差を周縁部の膜厚ばらつきとしてもよい。一実施形態では、動作制御部９は、基板Ｗ上の複数の位置と、複数の位置における複数の膜厚の関係を表す膜厚プロファイルを生成し、上記膜厚プロファイルから周縁部の膜厚ばらつきを算出してもよい。
【0081】
ステップ６では、動作制御部９は、算出された周縁部の膜厚ばらつきと、所定の基準範囲を比較する。周縁部の膜厚ばらつきが基準範囲内であれば、基板Ｗの研磨を終了し、周縁部の膜厚ばらつきが基準範囲外であれば、後述する周縁部膜厚測定工程（ステップ７およびステップ８）を実行する。ステップ２の方法でも周縁部の膜厚を測定することができるが、周縁部膜厚測定工程によって、より精密に基板Ｗの周縁部の膜厚を測定することができる。
【0082】
ステップ７では、動作制御部９は、膜厚測定装置４０（より具体的には膜厚センサ４１）を基板Ｗの任意の箇所の膜厚を測定可能な位置に位置させる。具体的には、動作制御部９は、膜厚測定装置４０を基板Ｗの周縁部の膜厚を測定可能な位置に位置させる。より具体的には、図１１に示すように動作制御部９は、テーブルモータ６（図１１には図示せず）に指令を発し、膜厚センサ４１（膜厚測定装置４０が光学式膜厚測定装置の場合は光学センサヘッド７）が基板Ｗの任意の膜厚の測定位置（周縁部）の真下に位置するように研磨テーブル３の回転を停止させる。膜厚センサ４１の位置は、研磨ヘッド１、研磨テーブル３、研磨ヘッド揺動アーム１６の回転角度に基づいて算出することができる。
【0083】
一実施形態では、ステップ７の前に研磨テーブル３および／または研磨ヘッド１の回転を停止させてもよい。その場合、動作制御部９は、テーブルモータ６に指令を発し、研磨テーブル３を回転させた後、膜厚センサ４１が基板Ｗの周縁部の真下に位置するように研磨テーブル３の回転を停止させる。
【0084】
ステップ８では、動作制御部９は、研磨ヘッド回転モータ１２に指令を発して研磨ヘッド１を回転させることで基板Ｗを回転させながら、かつ研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０（より具体的には膜厚センサ４１）の相対的な位置を制御しながら、膜厚測定装置４０に基板Ｗの周縁部の膜厚を測定させる。具体的には、研磨ヘッド１は基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａ上で回転させる。一実施形態では、ステップ１から研磨ヘッド１の回転を継続させてもよい。
【0085】
図１２に示すように、リテーナリング６０の内径は、基板Ｗの外径よりも１～３ｍｍ大きいため、基板Ｗは、研磨工程中、回転しながらリテーナリング６０の内側で下流側（研磨テーブル３の回転方向に関して下流側）に偏る。基板Ｗがリテーナリング６０の内壁の一部に偏った状態で、基板Ｗの膜厚を測定するために研磨ヘッド１を回転させた場合、基板Ｗは、基板Ｗの中心Ｏを中心に回転しながら、研磨ヘッド１の中心Ｐを中心に偏心回転する。したがって、図１２に示すように、研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０（膜厚センサ４１）の相対位置を固定した状態で基板Ｗを回転させながら周縁部の膜厚を測定した場合、その測定位置の軌跡（基板Ｗから見た場合の測定位置の軌跡）は、基板Ｗの周縁部からずれるため、周縁部の膜厚を正しく測定できない。
【0086】
そこで、記動作制御部９は、研磨ヘッド１の回転に合わせて、揺動モータ１５およびテーブルモータ６の少なくとも一方を制御することで、研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０の相対的な位置を制御する。
【0087】
具体的には、図１３に示すように、動作制御部９は、膜厚の測定位置が基板Ｗの周縁部の周方向に軌跡を描くように、研磨ヘッド１の回転角度に基づいて、揺動モータ１５およびテーブルモータ６の少なくとも一方を制御することで、研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０の相対位置を制御（トレース制御）する。言い換えれば、動作制御部９は、膜厚の測定位置が基板Ｗの周縁部をトレースするように、研磨テーブル３および／または研磨ヘッド１を基板Ｗの研磨ヘッド１の中心Ｐに対する偏心分だけ研磨ヘッド１の回転に合わせて移動（回転または揺動）させる。膜厚測定装置４０は、基板Ｗが１回転する間の測定位置の軌跡上の複数の測定点において複数の膜厚を測定する。膜厚の測定位置は、基板Ｗの中心Ｏを中心とする周縁部上の円周上を一周する。
【0088】
リテーナリング６０の内径と、基板Ｗの外径から研磨ヘッド１の中心Ｐに対する基板Ｗの偏心量を推測することができる。また、基板Ｗは、研磨工程中、研磨テーブル３の回転方向に関して下流側に偏るため、研磨ヘッド１に対する基板Ｗの偏心方向（中心Ｐに対する偏心方向）を推測することができる。したがって、研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０の相対位置を制御することで、基板Ｗに対する膜厚測定装置４０の相対位置を制御することができる。研磨ヘッド１の回転に合わせて研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０の相対位置を制御することで、周縁部の膜厚を正確に測定することができる。
【0089】
一実施形態では、膜厚の測定位置が、基板Ｗの中心Ｏを中心とする周縁部上の円周上を一周した後、研磨ヘッド１の半径方向に膜厚測定装置４０の位置をずらし、基板Ｗの直径が異なる他の円周上の複数の測定点において膜厚を測定してもよい。基板Ｗの周縁部上の複数の円周上で膜厚を測定することによってより精密な膜厚測定を行うことができる。
【0090】
一実施形態では、基板Ｗの偏心分を含めて膜厚測定を行ってもよい。具体的には、図１４に示すように、動作制御部９は、膜厚の測定位置が、基板Ｗの周方向における複数の領域において、基板Ｗの半径方向に移動するように、研磨ヘッド１の回転に合わせて揺動モータ１５およびテーブルモータ６の少なくとも一方を制御する（研磨テーブル３および／または研磨ヘッド１を研磨ヘッド１の回転に合わせて移動させる）ことで、研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０の相対的な位置を制御してもよい。上記複数の領域は、少なくとも基板Ｗの周縁部を含む。
【0091】
膜厚の測定位置は、半径方向に移動しながら周方向にも移動し、基板Ｗを一周する。膜厚測定装置４０は、基板Ｗが１回転する間の測定位置の軌跡上の複数の測定点において複数の膜厚を測定する。図１４に実線で示す矢印は、膜厚測定装置４０が膜厚を測定しているときの基板Ｗから見たときの測定位置の軌跡を示し、図１４に点線で示す矢印は、膜厚測定装置４０が膜厚を測定していないときの基板Ｗから見たときの膜厚センサ４１の軌跡を示す。周方向における測定位置の軌跡の数を増やすことでより精密な膜厚測定を行うことができる。
【0092】
本実施形態では、基板Ｗに対する膜厚測定装置４０の相対位置が基板Ｗの内側から外側に移動しているときに膜厚を測定する。一実施形態では、基板Ｗに対する膜厚測定装置４０の相対位置が基板Ｗの外側から内側に移動しているときに膜厚を測定してもよい。半径方向における最も内側の測定点は、基板Ｗの周縁部の最内周または周縁部の最内周よりも半径方向内側の点であり、半径方向における最も外側の測定点は、基板Ｗの周縁部の最外周または、リテーナリング６０の内径の点である。上述した最も内側の測定点および最も外側の測定点は、研磨ヘッド１の回転角度、研磨テーブル３の回転角度、中心Ｐに対する基板Ｗの偏心量（偏心方向）などから決定することができる。また、基板Ｗの外の領域を測定することで、基板Ｗの周縁部の位置を正確に把握することができる。これは基板Ｗの外周縁では膜厚測定結果がゼロになるからで、半径方向への移動による測定毎に周縁部のどこを測定しているのかを正確に把握することが可能である。一実施形態では、図１４を参照して説明した実施形態においても、研磨ヘッド１の回転角度に基づいて研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０の相対的な位置を制御してもよい。
【0093】
さらに一実施形態では、図１５に示すように、動作制御部９は、前記膜厚の測定位置が、前記基板の周縁部を少なくとも含む領域を蛇行しながら前記基板の周方向に移動するように、研磨ヘッド１の回転に合わせて揺動モータ１５およびテーブルモータ６の少なくとも一方を制御する（研磨テーブル３および／または研磨ヘッド１を研磨ヘッド１の回転に合わせて移動させる）ことで、研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０の相対的な位置を制御してもよい。膜厚の測定位置は、蛇行しながら基板Ｗを一周する。膜厚測定装置４０は、基板Ｗが１回転する間の測定位置の軌跡上の複数の測定点において複数の膜厚を測定する。半径方向における最も内側の測定点は、基板Ｗの周縁部の最内周または周縁部の最内周よりも半径方向内側の点であり、半径方向における最も外側の測定点は、基板Ｗの周縁部の最外周または、リテーナリング６０の内径の点である。
【0094】
一実施形態では、図１５を参照して説明した実施形態においても、研磨ヘッド１の回転角度に基づいて研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０の相対的な位置を制御してもよい。
【0095】
図１４を参照して説明した測定方法では、膜厚の測定位置と、膜厚の測定値との関連付けが容易ではあるが、測定時間が長くなる。図１５を参照して説明した実施形態では、座標変換などの手法により、膜厚の測定位置を算出する必要があるが、連続した動作で測定できるので測定時間が短くなる。
【0096】
基板Ｗの周縁部の測定中、基板Ｗを研磨パッド２に密着させ、研磨ヘッド１に対して基板Ｗが滑らないように研磨ヘッド１によって基板Ｗを加圧する。具体的には、動作制御部９は、基板Ｗの周縁部の膜厚の測定中、複数の圧力レギュレータＲ２～Ｒ５に指令を発して、研磨ヘッド１が基板Ｗを研磨面２ａに押し付けるように、複数の圧力室７０～７３の圧力を調整させる。
【0097】
一実施形態では、動作制御部９は、基板Ｗの周縁部の膜厚の測定中、複数の圧力レギュレータＲ３～Ｒ５に指令を発して、基板Ｗの外周部を研磨面２ａに押し付けるように、圧力室７１～７３の圧力を調整させながら、切替弁７４に指令を発して、気体移送ラインＦ２と真空ラインＶ１を連通させることで基板Ｗの中央部を吸着させてもよい。この場合、基板Ｗの変形を抑制するため、動作制御部９は、昇降装置に指令を発し、研磨ヘッド１の高さを下げることにより、圧力室７１～７３の膨張を小さくしてもよい。
【0098】
上述のように、本実施形態では、研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０の相対的な位置を制御しながら、基板Ｗの周縁部の膜厚を測定する。これにより、周縁部の膜厚の測定精度を向上させることができ、周縁部の膜厚分布を正確に把握することができる。
【0099】
さらに一実施形態では、動作制御部９は、基板Ｗのノッチ部の位置を検出するために上述した周縁部膜厚測定工程を実行してもよい。動作制御部９は、周縁部膜厚測定工程における基板Ｗの周縁部の膜厚の測定結果に基づいて、ノッチ部の位置を決定する。ノッチ部では、基板Ｗが切り欠かれているため、膜厚の測定結果がエラーとなることから、動作制御部９は、膜厚測定装置４０がエラー信号を出力したときの研磨ヘッド１の回転角度に基づいて、基板Ｗのノッチ部の位置を検出することができる。研磨装置とは別体で設置された膜厚測定器（以下、スタンドアローン型膜厚測定器という）で基板Ｗの膜厚を測定し、その測定結果に基づいて後述する修正研磨工程を行う場合は、修正研磨中、スタンドアローン型膜厚測定器で測定した基板Ｗの膜厚の測定値に対応する基板Ｗ上の位置を把握する必要がある。周縁部膜厚測定工程を実行してノッチ部を検出することにより、ノッチ部を基準として複数の膜厚の測定値に対応する基板Ｗ上の複数の位置を把握することができる。
【0100】
これにより、スタンドアローン型膜厚測定器で測定した周縁部の膜厚の測定結果を用いて後述する修正研磨工程を実行することができる。本実施形態では、研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０の相対的な位置を制御しながら、基板Ｗの周縁部の膜厚を測定するため、基板Ｗのノッチ部の位置を正確に検出することができる。
【0101】
研磨装置は、周縁部膜厚測定工程の後、修正研磨工程（ステップ９～ステップ１１）を実行する。修正研磨工程は、周縁部膜厚測定工程で測定した基板Ｗの周縁部の膜厚に基づいて、周縁部の膜厚ばらつきを修正する工程である。
【0102】
ステップ９では、研磨装置は、研磨を再開する。ステップ９では、ステップ１およびステップ２と同様の方法により基板Ｗの膜厚を測定しながら基板Ｗを研磨する。
ステップ１０では、研磨装置は、基板Ｗを研磨している状態で、周縁部膜厚測定工程において測定された周縁部の膜厚の測定結果またはスタンドアローン型膜厚測定装置器で測定された周縁部の膜厚の測定結果に基づいて、かつ研磨ヘッド１の回転角度に同期させてリテーナリング６０に対する局所荷重を周期的に変更する。
ステップ１０では、研磨装置は、基板Ｗを研磨している状態で、周縁部膜厚測定工程において測定された周縁部の膜厚の測定結果またはスタンドアローン型膜厚測定装置器で測定された周縁部の膜厚の測定結果に基づいて、かつ研磨ヘッド１の回転角度に同期させてリテーナリング６０に対する局所荷重を周期的に変更する。
【0103】
具体的には、動作制御部９は、基板Ｗの周縁部の膜厚が大きい箇所（基板Ｗ上の研磨レートを上げたい箇所）が局所荷重付与装置３０による局所反発力を受ける位置にあるときに、局所荷重付与装置３０に局所荷重を発生させる。より具体的には、動作制御部９は、基板Ｗの膜厚が大きい箇所が局所荷重付与装置３０による局所反発力を受ける位置にあるときに、圧力レギュレータＲ１に指令を発して、エアシリンダ３３内の圧縮気体の圧力を上昇させる。これにより、局所反発力を受けた箇所の研磨が周縁部の他のエリアと比較して相対的に加速される。一実施形態では、膜厚の大きさに応じて局所荷重の大きさ（すなわちエアシリンダ３３内の圧縮気体の圧力の大きさ）を変更してもよい。
【0104】
図１６は、基板Ｗの周縁部の膜厚分布の一例を示す模式図であり、図１７は、図１６に示す基板Ｗを修正研磨したときの局所加重の大きさと基板角度の関係を示すグラフである。図１６に示すようにノッチ部Ｎを０度として基板角度を定義する。図１７の縦軸は、局所荷重付与装置３０が発生させる局所加重の大きさを示し、図１７の横軸は、局所加重を受ける位置における基板角度を示している。
【0105】
図１６に示す例では、約１８０度から約３５０度までの領域で膜厚が大きくなっている。約１８０度から約２７０度までの領域における膜厚は、約２７０度から約３５０度までの領域における膜厚よりも大きい。このとき、動作制御部９は、図１７に示すように局所荷重付与装置３０を制御する。基板角度０度から約１８０度までは局所荷重付与装置３０の動作を停止し、約１８０度から約３６０度までの領域において、基板Ｗの膜厚に基づいて局所加重の大きさを制御しながら局所荷重付与装置３０を駆動させる。これは局所荷重付与装置３０の、荷重が高くなると研磨したい領域の研磨量が高くなる特性を利用した場合である。
【0106】
一実施形態では、研磨ヘッド１の回転角度に同期させて研磨ヘッド１の回転速度を周期的に変化させてもよい。例えば、局所荷重付与装置３０が局所荷重を発生させている間は、局所荷重付与装置３０が局所荷重を発生させていないときよりも研磨ヘッド１の回転速度を遅くしてもよい。これにより、基板Ｗが局所反発力を受ける時間を長くすることができ、より研磨レートを上げることができる。一実施形態では、研磨レートを遅くしたいときは、所荷重付与装置３０が局所荷重を発生させているときよりも研磨ヘッド１の回転速度を速くしてもよい。
【0107】
さらに一実施形態では、局所荷重付与装置３０を使用せずに、周縁部膜厚測定工程において測定された周縁部の膜厚の測定結果またはスタンドアローン型膜厚測定装置器で測定された周縁部の膜厚の測定結果に基づいて、かつ研磨ヘッド１の回転角度に同期させて研磨ヘッド１の回転速度を周期的に変化させてもよい。周縁部の研磨レートは研磨テーブル３の回転方向に対して不均一であり、研磨テーブル３の回転方向に関して下流側の基板Ｗの領域で研磨レートが増加する傾向がある。これは、基板Ｗのリテーナリング６０に接触している箇所において研磨パッド２の方向（下方向）に向かう力が発生するためである。したがって、この方法では局所荷重付与装置３０を使用せずに、研磨ヘッド１の回転速度だけで周縁部の修正研磨を行うことができる。
【0108】
具体的には、動作制御部９は、基板Ｗの周縁部の膜厚が大きい箇所（基板Ｗ上の研磨レートを上げたい箇所）が研磨テーブル３の回転方向に関して下流側にあるとき（下流側でリテーナリング６０に接触しているとき）に、研磨ヘッド回転モータ１２に指令を発し、基板Ｗの周縁部の膜厚が大きい箇所が研磨テーブル３の回転方向に関して下流側にないとき（下流側でリテーナリング６０に接触していないとき）よりも研磨ヘッド１の回転速度を遅くさせる。一実施形態では、動作制御部９は、基板Ｗの周縁部の膜厚が大きい箇所（基板Ｗ上の研磨レートを上げたい箇所）が研磨テーブル３の回転方向に関して下流側にないとき（下流側でリテーナリング６０に接触していないとき）に、研磨ヘッド回転モータ１２に指令を発し、基板Ｗの周縁部の膜厚が大きい箇所が研磨テーブル３の回転方向に関して下流側にあるとき（下流側でリテーナリング６０に接触しているとき）よりも研磨ヘッド１の回転速度を速くさせる。
【0109】
図１８は、研磨ヘッド１の回転角度に同期させて研磨ヘッド１の回転速度を周期的に変化させながら、図１６に示す基板Ｗを修正研磨したときの研磨ヘッド１の回転速度と基板角度の関係を示すグラフである。図１７の横軸は、下流側でリテーナリング６０に接触する位置における基板角度を示している。
【0110】
このように、周縁部の膜厚の測定結果に基づいて、かつ研磨ヘッド１の回転角度に同期させてリテーナリング４０に対する局所荷重または研磨ヘッド１の回転速度を周期的に変更する（変化させる）ことによって、周縁部の膜厚のばらつきを修正し、解消することができる。
【0111】
ステップ１１では、基板Ｗを研磨しながら、ステップ４と同様の方法により基板Ｗの膜厚指標値を算出し、膜厚指標値と研磨終点を比較する。膜厚指標値が研磨終点に達した場合、研磨を終了する。膜厚指標値が研磨終点に達していない場合は、ステップ１０に戻る。
【0112】
初期研磨工程と、修正研磨工程とは、同じ場所で実行してもよく、互いに異なる場所で実行してもよい。
【0113】
さらに一実施形態では、上述した膜厚測定（ステップ７およびステップ８）と修正研磨の範囲は周縁部だけでなく、中央部など任意の場所に適用してもよい。この場合も、動作制御部９は、研磨ヘッド１を回転させることで基板Ｗを研磨面２ａ上で回転させながら、かつ研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０（より具体的には膜厚センサ４１）の相対的な位置を制御しながら、膜厚測定装置４０に基板Ｗの膜厚（具体的には、基板Ｗ上の任意の領域の膜厚）を測定させる。さらに一実施形態では、動作制御部９は、基板Ｗの膜厚の測定中、複数の圧力レギュレータＲ２～Ｒ５に指令を発して、研磨ヘッド１が基板Ｗを研磨面２ａに押し付けるように、複数の圧力室７０～７３の圧力を調整させてもよく、複数の圧力レギュレータＲ３～Ｒ５に指令を発して、基板Ｗの外周部を研磨面２ａに押し付けるように、圧力室７１～７３の圧力を調整させながら、切替弁７４に指令を発して、気体移送ラインＦ２と真空ラインＶ１を連通させることで基板Ｗの中央部を吸着させてもよい。
【0114】
上述のように、本実施形態では、研磨ヘッド１に対する膜厚測定装置４０の相対的な位置を制御しながら、基板Ｗの膜厚を測定する。これにより、基板Ｗの膜厚の測定精度を向上させることができ、基板Ｗの膜厚分布を正確に把握することができる。基板Ｗの膜厚測定工程、すなわち、基板Ｗ上の任意の領域の膜厚測定工程の後、修正研磨工程を実行し、基板Ｗの膜厚測定工程で測定した膜厚に基づいて、基板Ｗの膜厚ばらつきを修正してもよい。
【0115】
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】
【0116】
１ 研磨ヘッド
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給ノズル
６ テーブルモータ
７ 光学センサヘッド
８ トルク測定装置
９ 動作制御部
１０ ヘッドシャフト
１２ 研磨ヘッド回転モータ
１４ 支軸
１５ 揺動モータ
１６ 研磨ヘッド揺動アーム
１７，１８，１９ 角度検出器
２１ ヘッド本体
２５ ロータリージョイント
３０ 局所荷重付与装置
３１ 押圧ロッド
３２ ブリッジ
３３ エアシリンダ（荷重発生装置）
３４ ユニットベース
３８ リニアガイド
３９ ガイドロッド
４０ 膜厚測定装置（光学式膜厚測定装置）
４１ 膜厚センサ
４４ 光源
４７ 分光器
４９ 処理システム
５１ 回転リング
５２ ローラー
５４ ローラーシャフト
５５ ローラーハウジング
６０ リテーナリング
６３ キャリア
６５ 弾性膜
６６ 球面軸受
６８ 内輪
６９ 外輪
７０，７１，７２，７３，８４ 圧力室
７４ 切替弁
７５ 連結部材
７６ 軸部
７８ スポーク
８０ 駆動カラー
８１ リテーナリング押圧機構
８２ ピストン
８３ ローリングダイヤフラム
９１ 静止リング
９２ 円環レール
９４ レールベース
Ｒ１ 荷重発生用圧力レギュレータ
Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６ 圧力室用圧力レギュレータ
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給ノズル
６ テーブルモータ
７ 光学センサヘッド
８ トルク測定装置
９ 動作制御部
１０ ヘッドシャフト
１２ 研磨ヘッド回転モータ
１４ 支軸
１５ 揺動モータ
１６ 研磨ヘッド揺動アーム
１７，１８，１９ 角度検出器
２１ ヘッド本体
２５ ロータリージョイント
３０ 局所荷重付与装置
３１ 押圧ロッド
３２ ブリッジ
３３ エアシリンダ（荷重発生装置）
３４ ユニットベース
３８ リニアガイド
３９ ガイドロッド
４０ 膜厚測定装置（光学式膜厚測定装置）
４１ 膜厚センサ
４４ 光源
４７ 分光器
４９ 処理システム
５１ 回転リング
５２ ローラー
５４ ローラーシャフト
５５ ローラーハウジング
６０ リテーナリング
６３ キャリア
６５ 弾性膜
６６ 球面軸受
６８ 内輪
６９ 外輪
７０，７１，７２，７３，８４ 圧力室
７４ 切替弁
７５ 連結部材
７６ 軸部
７８ スポーク
８０ 駆動カラー
８１ リテーナリング押圧機構
８２ ピストン
８３ ローリングダイヤフラム
９１ 静止リング
９２ 円環レール
９４ レールベース
Ｒ１ 荷重発生用圧力レギュレータ
Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６ 圧力室用圧力レギュレータ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】