JP2008528300A - 基板研磨方法及び装置 - Google Patents

Abstract

研磨量に加えて、研磨対象物の表面温度、研磨パッドの厚み等のパラメータをも考慮して研磨プロファイルを最適化する研磨装置を提供する。制御ユニットＣＵの制御の下で研磨対象物を研磨するための研磨装置は、少なくとも２つの押圧部分を有し、それぞれの押圧部分ごとに任意の圧力を研磨対象物に印加することができるトップリングと、研磨対象物の研磨量を測定する測定装置ＩＭと、研磨対象物の研磨状態を監視する監視装置ＳＭとを具備する。制御ユニットＣＵは、測定装置ＩＭと監視装置ＳＭとの出力とに基づいて、研磨対象物の研磨プロファイルを最適化するのに必要な加工圧力をトップリングに設定するためのシミュレーション・ソフトにしたがって研磨対象物の研磨を行わせる。

Description

本発明は、半導体基板に代表される被研磨物の研磨装置において、消耗材の経時的変化を主たる要因とする、基板面内の残膜不均一性による歩留まり低下を抑制し、消耗材を長寿命化して運転コストを低減することが可能な基板研磨装置及び該方法を実施する研磨装置に関する。

背景技術
近年、半導体デバイスが微細化され、素子構造が複雑化されるに伴い、半導体デバイスの表面の凹凸が増え、段差が大きくなる傾向にある。その結果、薄膜形成時に段差部での膜厚が小さくなったり、配線の断線によるオープンや配線層間の絶縁不良によるショートが生じたりして歩留まりが低下する。こうした問題を解決するための平坦化技術として、例えば半導体基板上での半導体装置製造工程において、絶縁膜や配線金属膜の成膜過程で形成される表面の凹凸を平坦化する化学的機械的研磨（ＣＭＰ）が採用されている。

ＣＭＰにおいては、研磨対象物である基板を不織布等からなる研磨パッドに押圧して基板と研磨パッドとの間に砥粒を供給しながら互いに摺道運動させて研磨を行う。ＣＭＰでの研磨の際、パッド表面に同心円状又は格子状の溝加工を施すことが十分な量の砥粒を基板中央部まで供給するために有効であることが分かっている。また、ＣＭＰでは、研磨パッド表面に付着する研磨屑を除去する目的で、ダイヤモンド・ディスク等でパッド表面の一部を削り込む、いわゆるパッド・コンディショニングが施される。

基板上に積層された配線や絶縁膜を平坦に研磨するＣＭＰ工程では、製造ラインで運用する研磨条件は予め最適化され、最適化された条件で研磨部材の消耗度が限度に達するまで、同一条件で研磨処理される。しかしながら研磨部材が消耗していく過程で、基板上の配線や絶縁膜の研磨後の表面形状（これを研磨プロファイルという）は研磨部材の消耗度に合わせ経時的に変化していく。一般的に、研磨部材の交換時期は、これら経時変化がデバイスの性能に影響を与える前に設定される。

近年の半導体デバイスの微細化と配線の多層化、処理速度の高速化に伴って、配線メタルや絶縁膜の研磨後の表面形状即ち研磨プロファイルは一層精度の高い平坦度が求められる。即ち許容される研磨プロファイルの経時変化は、微細化や多層化の進んだデバイスにおいては一層狭められることになり、研磨部材の消耗交換頻度も高くなる。しかしながら、ＣＭＰの消耗部材は非常に高価であり、消耗交換頻度が高くなるとデバイスのコストに大きな影響を与えることになる。

一般に、研磨の世界ではプレストンの実験式として知られるＱ∝ｋｐｖΔｔ（ただし、Ｑは研磨量、ｋは研磨パッドや研磨液、基板の材質等によって決められる係数、ｐは加工圧力、ｖは移動速度、Δｔは下降時間である）から、研磨量Ｑを或る程度の精度で予測できることが広く知られており、ＣＭＰにおいても概ねプレストンの実験式が成立する。しかし、ＣＭＰにおいては、化学的作用による研磨速度が加工温度に大きく影響されるため、プレストンの実験式だけからでは精度の良い研磨量の予測が困難になる場合がある。また、研磨パッド表面の溝の中の砥粒の挙動は流体力学に基づくものであり、これもプレストンの実験式では考慮されていない要因である。更に、パッド・コンディショナのカットレートの低下に伴う目立て不足、研磨屑の除去量低下といった要因もプレストンの実験式ではカバーできていない。

発明の開示
本発明は上記の課題に鑑みて提案されたものであり、本発明の目的は、研磨装置内部でプレストンの実験式を基本式としたシミュレータを用いて加工圧力の最適化を自動的に行い、且つ、プレストンの実験式ではカバーしきれないパラメータをも十分にモニタリングすることにより補正精度の向上を図り、集積回路の更なる微細化に伴う研磨形状の均一化を実現するにある。

さらに、本発明の他の目的は、従来は基板を一定枚数処理する毎に交換していた消耗材の状態を正確に管理することによって消耗材の長寿命化を図り、運転コストの低減を可能とすることにある。

上記の目的を達成するために、本願の発明に係る研磨装置は、ウエハ等の研磨対象物を研磨するために研磨対象物を保持しつつ研磨対象物に対して圧力を与えて研磨部材に押し付けるトップリングを備えている。トップリングは研磨対象物に対し、同心円状に区切られたエリアごとに圧力を任意に設定することができるので、研磨対象物と研磨部材との間の押圧力を制御することができる。したがって、研磨対象物の研磨形状が平坦にならない場合、例えば研磨量が不足している部分には、必要な研磨量分の押圧力を更に加えることが可能となり、平坦精度の高い研磨性能を得ることができる。

トップリングのエリア内の圧力は、通常、研磨後の研磨対象物に形成された配線メタルまたは層間絶縁膜の表面が平坦になるように設定される。従来、この圧力設定はエンジニアの経験則に従って行われるケースが多く、研磨対象物の面を平坦に研磨するための条件を作るまでに数枚の研磨対象物を研磨して調整しなければならなかった。

そこで、本発明では、上記の構造のトップリングにおける各エリアの圧力設定条件を入力することにより、研磨対象物の研磨プロファイルを予測算出する第一のシミュレーション・ソフトを利用する。この第一のシミュレーション・ソフトによるシミュレーション結果は、実際の研磨結果プロファイルと比較して１〜５％の誤差でしかないことが判明した。本発明により、圧力設定の調整段階で使用していた研磨対象物の無駄を省くことができ、また、シミュレーションにより瞬時に研磨プロファイルを予測することができるので、圧力設定に要する時間も短縮できる。

この第一のシミュレーション・ソフトは、比較的少数の測定点での残膜形状（もしくは研磨形状）の測定結果から求めることができる研磨係数（パッドやスラリーによる影響を含んだ係数）を更新するだけで、その測定点以外の多数の点の研磨後の残膜厚を予測することができるので、スラリーやパッド等の研磨部材の変化による影響を容易に補正でき、補正後の設定された研磨条件における研磨プロファイルを予測することが可能である。研磨係数の更新が、第一のシミュレーション・ソフトに使う研磨条件設定値に近いところで研磨された結果を用いて行われている場合には、誤差は１〜３％程度にまで低減できる。実際の半導体生産ラインで連続的に研磨されている場合には、連続した研磨対象物間での研磨条件設定値に大きな差が無いため、より精度の高いシミュレーションを行うことができる。なお、研磨形状の測定点が比較的少数の場合には、この測定点をなめらかに補間した曲線を用いて研磨係数を算出すればよい。

本発明は、ウエハ面上の膜形状を所望の膜厚とすることで所望の研磨プロファイルをも得るようにする。そのために、本発明では、所望の研磨時間、平均研磨量、残膜形状（研磨形状でもよい）を入力することにより、これらの条件を満たすよう各エリアの設定圧力を第二のシミュレーション・ソフトにより算出する。第二のシミュレーション・ソフトには、第一のシミュレーション・ソフトがモジュールとして組み込まれている。ある設定圧力における研磨プロファイルの予測値を第一のシミュレーション・ソフトにより算出し、この予測値を所望の研磨プロファイルと比較して設定圧力の修正値を算出する。第二のシミュレーション・ソフトによって、この研磨プロファイルの予測値の算出と、設定圧力の修正値の算出を繰り返し行えば、所望の研磨プロファイルにより近づくような設定圧力を算出することができる。

ここでは、設定した研磨時間は参考値（目標値）として扱い、研磨は、エンドポイント・システムで実際にモニタリングしている残膜量が所望の値になったところで終了してもよい。

本発明により、今までは平均研磨量を安定させていただけだったが、研磨後の平坦度もしくは所望の残膜形状をも制御して安定させることができる。そのために、本発明では、好ましくは１枚の試験研磨対象物を処理して研磨係数を更新した後に、第二のシミュレーション・ソフトにより所望の研磨時間、平均研磨量、残膜形状が得られるように最適化された研磨条件を得る。研磨対象物は、この最適化された研磨条件により研磨されるが、研磨部材の消耗度により適宜研磨係数を更新し、所望の研磨時間、平均研磨量、残膜形状が安定して得られるように研磨条件を再度最適化する。ここで、研磨した研磨対象物の研磨条件をフィードバックして研磨を行うようにすれば、研磨後の残膜の平坦性の精度や研磨条件によって影響を受けるフィードバック制御の精度を考慮すると、研磨後の研磨対象物に対する品質をより高い精度で確保することが可能になる。

本発明では、研磨形状に関するデータを、光学式の測定器で計測できる生成膜ばかりでなく金属膜に対しても計測可能な測定器を用いて取得してフィードバック制御を行うことが可能であり、ＣＭＰ工程のアプリケーションに制限を受けず汎用性に富む。また、膜厚データの取得方法も、研磨中にモニタリングできる計測器による計測方法、研磨後に計測器までウエハを搬送して計測する方法、ＣＭＰ装置外で測定したデータをＣＭＰ装置へ転送・入力する方法など、任意の手段を選ぶことができ、また、運用のし易いよう研磨前と研磨後の膜厚データを異なる方法でそれぞれ取得する等、上記の方法の任意の組合せも可能である。

更に、本発明においては、プレストンの実験式ではカバーしきれないパラメータをも十分にモニタリングすることにより補正精度の向上を図り、集積回路の更なる微細化に伴う研磨形状の均一化を実現する。このために、本発明は、研磨表面温度、パッド厚さ、パッド溝深さ及びドレッサのカットレート値をも考慮して研磨動作を制御する。

そこで、本願の請求項１の発明は、
制御ユニットの制御の下で研磨対象物を研磨するための研磨装置であって、
少なくとも２つの押圧部分を有し、それぞれの前記押圧部分ごとに任意の圧力を前記研磨対象物に印加することができるトップリングと、
研磨対象物の研磨量を測定する測定装置と、
前記研磨対象物の研磨状態を監視する監視装置と、
を具備し、前記制御ユニットが、前記測定装置の出力及び前記監視装置の出力とに基づいて、前記研磨対象物の研磨プロファイルを最適化するのに必要な加工圧力を前記トップリングに設定するためのシミュレーション・ソフトにしたがって前記研磨対象物の研磨を行わせることを特徴とする研磨装置、
を提供する。

請求項２の発明は、前記少なくとも２つの押圧部分が、複数の同心円状のエアバックと、該エアバッグを囲むリテーナリングとを含み、前記リテーナリングの圧力を、前記エアバックの圧力の総和の平均値の２割よりも大きい値に維持することを特徴とする。

請求項３の発明は、前記監視装置の出力が、前記リテーナリングの摩耗量が閾値を下回ったことを示したとき、前記制御ユニットが研磨を中止するよう指令することを特徴とする。

請求項４の発明は、前記監視装置の出力が、前記研磨対象物の表面温度が所定の設定温度を越えたことを示したとき、前記制御ユニットが、前記シミュレーション・ソフトの使用を中止し、又は研磨を中止するよう指令し、前記監視装置の出力が、前記表面温度が前記設定温度よりも下がったことを示したとき、前記制御ユニットが研磨を再開するよう指令することを特徴とする。

請求項５の発明は、前記トップリングによって押圧された状態で前記研磨対象物を研磨するための研磨パッドを更に備え、前記監視装置の出力が、前記研磨パッドの厚みが閾値を下回ったことを示したとき、前記制御ユニットが、前記シミュレーション・ソフトの使用を中止し、又は研磨を中止するよう指令することを特徴とする。

請求項６の発明は、前記監視装置が、前記研磨パッドの厚みを測定するためのレーザー変位計を備えることを特徴とする。
請求項７の発明は、前記トップリングによって押圧された状態で前記研磨対象物を研磨するための研磨パッドと、前記研磨パッドをコンディショニングするためのドレッサとを更に備え、前記監視装置の出力が、前記ドレッサのカットレートが閾値を下回ったことを示したとき、前記制御ユニットが、前記シミュレーション・ソフトの使用を中止し、又は研磨を中止するよう指令することを特徴とする。

請求項８の発明は、前記ドレッサを駆動するためのモータのトルクを用いて前記カットレートを監視することを特徴とする。
請求項９の発明は、前記制御ユニットが、前記研磨状態に応じてスラリーの供給量を調整することができることを特徴とする。

なお、通常、研磨装置には作業者が運転上検討を入力するためのタッチパネルが設けられ、制御ユニットがシミュレーション・ソフトの使用中止を指令したとき、この旨がタッチパネルに表示される。これを受けて、作業者は研磨を続行するか中止するかを決定する。また、制御ユニットからシミュレーション・ソフトの使用中止の指令が出たときに研磨を中止する設定を選択するよう、予めタッチパネルの操作によって設定しておくことも可能である。

発明を実施するための最良の形態
以下、本発明に係る研磨方法及び装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳述する。まず、本発明に係る研磨装置の一つの実施の形態を、その各部の配置構成を示す平面図である図１と同研磨装置の斜視図を示す図２とを用いて説明する。図１および図２において、領域Ａ、Ｂ内に配置された２つの研磨部に共通の搬送機構として、２つの研磨部にそれぞれ専用の搬送機構として往復直線移動をする２台のステージを備えたリニア・トランスポータが個別に配置される。すなわち、図１および図２に示す研磨装置は、多数の半導体ウエハをストックするウエハ・カセット１を載置するロード・アンロード・ステージ２を４つ備えている。ロード・アンロード・ステージ２上の各ウエハ・カセット１に到達可能となるように、走行機構３の上に２つのハンドを有した搬送ロボット４が配置されている。走行機構３にはリニアモータからなる走行機構が採用されている。リニアモータからなる走行機構を採用することにより、ウエハが大口径化し重量が増加しても高速且つ安定した搬送ができる。

図１に示す研磨装置では、ウエハ・カセット１を載置するロード・アンロード・ステージ２としてＳＭＩＦ(Standard Manufacturing Interface）ポッド又はＦＯＵＰ（Front Opening Unified Pod）を用い、ロード・アンロード・ステージが外付けされている。ＳＭＩＦ、ＦＯＵＰは、中にウエハカセットを収納して隔壁で覆うことにより、外部空間とは独立した環境を保つことができる密閉容器である。ＳＭＩＦもしくはＦＯＵＰを、研磨装置のロード・アンロード・ステージ２として設置した場合、研磨装置側のハウジングＨに設けられたシャッターＳ及びＳＭＩＦもしくはＦＯＵＰ側のシャッターが開くことにより、研磨装置側とウエハ・カセット側とが一体化する。

ＳＭＩＦもしくはＦＯＵＰは、研磨工程が終わると、シャッターを閉じて研磨装置と分離し、別の処理工程へ自動的に又は手動で搬送されるため、その内部雰囲気を清浄に保っておくことが必要である。そのため、ウエハがカセットに戻る直前に通る領域Ｃの上部には、ケミカル・フィルタを通して清浄な空気のダウン・フローが形成されている。また、搬送ロボット４の移動にリニアモータを用いているため、発塵が抑えられ、領域Ｃの雰囲気をより正常に保つことができる。なお、ウエハ・カセット１内のウエハを清浄に保つために、ＳＭＩＦやＦＯＵＰの様な密閉容器にケミカル・フィルタやファンを内蔵し、自らクリーン度を維持するクリーン・ボックスを用いるようにしてもよい。

搬送ロボット４の走行機構３を対称軸に、ウエハ・カセット１とは反対側に２台の洗浄機５、６が配置される。各洗浄機５、６は搬送ロボット４のハンドが到達可能な位置に配置される。２台の洗浄機５、６の間で且つロボット４が到達可能な位置に、４つの半導体ウエハの載置台７、８、９、１０を備えたウエハ・ステーション５０が配置される。

洗浄機５、６及び載置台７、８、９、１０が配置されている領域Ｄとウエハ・カセット１及び搬送ロボット４が配置されている領域Ｃとのクリーン度を分けるために、隔壁１４が配置され、互いの領域の間で半導体ウエハを搬送するための隔壁の開口部にシャッター１１が設けられる。洗浄機５と３つの載置台７、９、１０に到達可能な位置には搬送ロボット２０が配置され、洗浄機６と３つの載置台８、９、１０とに到達可能な位置には搬送ロボット２１が配置される。

洗浄機５と隣接するように且つ搬送ロボット２０のハンドが到達可能な位置に、洗浄機２２が配置される。また、洗浄機６と隣接するように且つ搬送ロボット２１のハンドが到達可能な位置に、洗浄機２３が配置される。洗浄機２２、２３は両面洗浄が可能な洗浄機である。これら洗浄機５、６、２２、２３、ウエハ・ステーション５０の載置台７、８、９、１０及び搬送ロボット２０、２１は全て領域Ｄの中に配置されていて、領域Ｃ内の気圧よりも低い気圧に調整されている。

図１及び図２に示す研磨装置は、各機器を囲むハウジングＨを有しており、ハウジングＨ内は隔壁１４及び隔壁２４Ａ、２４Ｂにより複数の部屋（領域Ｃ、Ｄを含む）に区画されている。隔壁２４Ａおよび２４Ｂによって、領域Ｄと区分された２つの領域Ａ、Ｂに区分され、２つの研磨室が形成される。２つの領域Ａ、Ｂにはそれぞれ、２つの研磨テーブルと、１枚の半導体ウエハを保持し且つ半導体ウエハを前記研磨テーブルに対して押し付けながら研磨するための１つのトップリングとが配置される。即ち、領域Ａには研磨テーブル３４、３６、領域Ｂには研磨テーブル３５、３７がそれぞれ配置されており、また、領域Ａにはトップリング３２、領域Ｂにはトップリング３３がそれぞれ配置されている。領域Ａ内には、研磨テーブル３４に研磨砥液を供給するための砥液ノズル４０と、研磨テーブル３４のドレッシングを行うための機械的ドレッサ３８とが配置され、領域Ｂ内には、研磨テーブル３５に研磨砥液を供給するための砥液ノズル４１と、研磨テーブル３５のドレッシングを行うための機械的ドレッサ３９とが配置される。さらに、領域Ａ内の研磨テーブル３６のドレッシングを行うためのドレッサ４８と、領域Ｂ内の研磨テーブル３７のドレッシングを行うためのドレッサ４９とが配置される。

研磨テーブル３４、３５は、機械的ドレッサー３８、３９の他に、流体圧によるドレッサーとして、アトマイザー４４、４５を備えている。アトマイザーとは、液体（例えば純水）と気体（例えば窒素）の混合流体を霧状にして複数のノズルから研磨面に噴射して、研磨面上に堆積し又は目詰まりした研磨カスやスラリー粒子を洗い流すものである。アトマイザーの流体圧による研磨面の浄化と、機械的接触であるドレッサー３８、３９による研磨面の目立て作業により、より望ましいドレッシング、即ち研磨面の再生を達成することができる。

図３はトップリング３２と研磨テーブル３４、３６との関係を示す図である。なお、トップリング３３と研磨テーブル３５、３７との関係も同様である。図３に示すように、トップリング３２は回転可能なトップリング駆動軸９１によってトップリング・ヘッド３１から吊下されている。トップリング・ヘッド３１は位置決め可能な揺動軸９２によって支持されており、トップリング３２は研磨テーブル３４、３６にアクセス可能になっている。ドレッサ３８は回転可能なドレッサ駆動軸９３によってドレッサ・ヘッド９４から吊下されている。ドレッサ・ヘッド９４は位置決め可能な揺動軸９５によって支持されており、ドレッサ３８は待機位置と研磨テーブル３４上のドレッサ位置との間を移動することができる。ドレッサ・ヘッド（揺動アーム）９７は位置決め可能な揺動軸９８によって支持されており、ドレッサ４８は待機位置と研磨テーブル３６上のドレッサ位置との間を移動することができる。

ドレッサ３８はテーブル３６の直径よりも長い長尺状の形状を成しており、ドレッサ・ヘッド９７が揺動軸９８を中心に揺動する。ドレッサ・ヘッド９７の揺動軸９８と反対側のドレッサ固定機構９６とドレッサ４８がピボット運動することにより、ドレッサ４８は自転を伴わず車のワイパーの様な動きで、研磨テーブル３６上をドレッシングできるように、ドレッサ固定機構９６によってドレッサ・ヘッド９７から吊り下げられている。研磨テーブル３６、３７としては、スクロール型研磨テーブルを使用することができる。

ここで図１に戻って、隔壁２４Ａによって領域Ｄとは仕切られた領域Ａの中にあって、搬送ロボット２０のハンドが到達可能な位置に、半導体ウエハを反転させる反転機２８が配置される。同様に、隔壁２４Ｂによって領域Ｄとは仕切られた領域Ｂの中にあって、搬送ロボット２１のハンドが到達可能な位置に、半導体ウエハを反転させる反転機２８’が配置されている。また、領域Ｄと領域Ａ、Ｂとを仕切る隔壁２４Ａ、２４Ｂには、半導体ウエハ搬送用の開口部が設けられ、該開口部にはそれぞれ、反転機２８、２８’専用のシャッター２５、２６が設けられている。

それぞれの反転機２８、２８’は、半導体ウエハをチャックするチャック機構と、半導体ウエハの表面と裏面を反転させる反転機構と、半導体ウエハを前記チャック機構によりチャックしているかどうかを確認するウエハ有無検知センサとを備えている。反転機２８には搬送ロボット２０によって半導体ウエハが搬送され、反転機２８’には搬送ロボット２１によって半導体ウエハが搬送される。

一方の研磨室を構成する領域Ａ内には、反転機２８とトップリング３２との間で半導体ウエハを移送するための搬送機構を構成するリニア・トランスポータ２７Ａが配置されている。他方の研磨室を構成する領域Ｂ内には、反転機２８’とトップリング３３との間で半導体ウエハを移送するための搬送機構を構成するリニア・トランスポータ２７Ｂが配置されている。リニア・トランスポータ２７Ａ、２７Ｂは直線往復移動する２個のステージを備えており、半導体ウエハはリニア・トランスポータとトップリング又は反転機との間でウエハ・トレイを介して受け渡される。

図３の右側部分には、リニア・トランスポータ２７Ａとリフタ２９とプッシャー３０との位置関係が示されている。リニア・トランスポータ２７Ｂとリフタ２９’とプッシャー３０’との位置関係も図３に示すものと同様である。以下ではリニア・トランスポータ２７Ａ、リフタ２９およびプッシャー３０のみを説明する。図３に示すように、リフタ２９とプッシャー３０とはリニア・トランスポータ２７Ａの下方に配置される。リニア・トランスポータ２７Ａの上方に反転機２８が配置される。トップリング３２は、揺動した際、プッシャー３０およびリニア・トランスポータ２７Ａの上方に位置することができる。

図４はリニア・トランスポータと反転機、およびリニア・トランスポータとトップリングとの間の半導体ウエハの受け渡しを説明するための図である。図４に示すように、搬送ロボット２０により反転機２８に搬送された研磨前の半導体ウエハ１０１は、反転機２８により反転される。リフタ２９が上昇すると、ロード用ステージ９０１上のウエハ・トレイ９２５がリフタ２９に移載され、リフタ２９が更に上昇すると、半導体ウエハ１０１は反転機２８からリフタ２９上のウエハ・トレイ９２５に移載される。その後、リフタ２９が下降し、半導体ウエハ１０１はウエハ・トレイ９２５とともにロード用ステージ９０１に載置される。ウエハ・トレイ９２５と半導体ウエハ１０１はロード用ステージ９０１の直線移動によりプッシャー３０の上方へ搬送される。このとき、アンロード用ステージ９０２はウエハ・トレイ９２５を介して研磨済の半導体ウエハ１０１をトップリング３２から受け取り、リフタ２９に向かって移動する。ロード用ステージ９０１とアンロード用ステージ９０２は移動途中ですれ違うこととなる。ロード用ステージ９０１がプッシャー３０の上方へ到達したときには、トップリング３２は図４に示す位置に予め揺動している。次に、プッシャー３０が上昇し、プッシャー３０はロード用ステージ９０１からウエハ・トレイ９２５および半導体ウエハ１０１を受け取った後にさらに上昇し、半導体ウエハ１０１のみをトップリング３２へ移送する。

トップリング３２に移送されたウエハ１０１は、トップリング３２の真空吸着機構により吸着されて研磨テーブル３４まで吸着されたまま搬送され、次いで、ウエハ１０１は研磨テーブル３４上に取り付けられた研磨パッド又は砥石等からなる研磨面で研磨される。トップリング３２がそれぞれに到達可能な位置に第２の研磨テーブル３６が配置されている。これにより、ウエハは第１の研磨テーブル３４で研磨が終了した後、第２の研磨テーブル３６で研磨される。しかしながら、半導体ウエハに形成された膜種によっては、第２の研磨テーブル３６で研磨した後に第１の研磨テーブル３４で研磨してもよい。

研磨が終了したウエハ１０１は、前述とは逆のルートで反転機２８まで戻される。反転機２８まで戻されたウエハは、純水もしくは洗浄用の薬液によりリンス・ノズルによってリンスされる。また、ウエハを離脱したトップリング３２のウエハ吸着面は、トップリング洗浄ノズルから純水もしくは薬液によって洗浄される。

ここで、図１〜図４に示す研磨装置で行われる処理工程の概略を説明する。２段洗浄の２カセット・パラレル処理の場合には、一方のウエハは、ウエハ・カセット（ＣＳ１）→搬送ロボット４→ウエハ・ステーション５０の置き台７→搬送ロボット２０→反転機２８→リニア・トランスポータ２７Ａのロード用ステージ９０１→トップリング３２→研磨テーブル３４→研磨テーブル３６（必要に応じ）→リニア・トランスポータ２７Ａのアンロード用ステージ９０２→反転機２８→搬送ロボット２０→洗浄機２２→ 搬送ロボット２０→洗浄機５→搬送ロボット４→ウエハ・カセット（ＣＳ１）に至る経路をたどる。また、他方のウエハは、ウエハ・カセット（ＣＳ２）→搬送ロボット４→ウエハ・ステーション５０の置き台８→搬送ロボット２１→反転機２８’→リニア・トランスポータ２７Ｂのロード用ステージ９０１→トップリング３３→研磨テーブル３５→トップリング３３→リニア・トランスポータ２７Ｂのアンロード用ステージ９０２→反転機２８’→搬送ロボット２１→洗浄機２３→搬送ロボット２１→洗浄機６→搬送ロボット４→ウエハ・カセット（ＣＳ２）に至る経路を経る。

３段洗浄の２カセット・パラレル処理の場合には、一方のウエハは、ウエハ・カセット（ＣＳ１）→搬送ロボット４→ウエハ・ステーション５０の置き台７→搬送ロボット２１→洗浄機６→搬送ロボット２１→ウエハ・ステーション５０の置き台９→搬送ロボット２０→反転機２８→リニア・トランスポータ２７Ａのロード用ステージ９０１→トップリング３２→研磨テーブル３４→研磨テーブル３６（必要に応じ）→リニア・トランスポータ２７Ａのアンロード用ステージ９０２→反転機２８→搬送ロボット２０→洗浄機２２→搬送ロボット２０→ウエハ・ステーション５０の置き台１０→搬送ロボット２０→洗浄機５→搬送ロボット４→ウエハ・カセット（ＣＳ１）に至る経路をたどる。また、他方のウエハは、ウエハ・カセット（ＣＳ２）→搬送ロボット４→ウエハ・ステーション５０の置き台８→搬送ロボット２１→反転機２８’→リニア・トランスポータ２７Ｂのロード用ステージ９０１→トップリング３３→研磨テーブル３５→研磨テーブル３７（必要に応じ）→リニア・トランスポータ２７Ｂのアンロード用ステージ９０２→反転機２８’→搬送ロボット２１→洗浄機２３→搬送ロボット２１→洗浄機６→搬送ロボット２１→ウエハ・ステーション５０の置き台９→搬送ロボット２０→洗浄機５→搬送ロボット４→ウエハ・カセット（ＣＳ２）に至る経路を経る。

さらに、３段洗浄のシリーズ処理の場合には、ウエハは、ウエハ・カセット（ＣＳ１）→搬送ロボット４→ウエハ・ステーション５０の置き台７→搬送ロボット２０→反転機２８→リニア・トランスポータ２７Ａのロード用ステージ９０１→トップリング３２→研磨テーブル３４→研磨テーブル３６（必要に応じ）→リニア・トランスポータ２７Ａのアンロード用ステージ９０２→反転機２８→搬送ロボット２０→洗浄機２２→搬送ロボット２０→ウエハ・ステーション５０の置き台１０→反転機２８’→リニア・トランスポータ２７Ｂのロード用ステージ９０１→研磨テーブル３５→研磨テーブル３７（必要に応じ）→リニア・トランスポータ２７Ｂのアンロード用ステージ９０２→トップリング３３→反転機２８’→搬送ロボット２１→洗浄機２３→搬送ロボット２１→洗浄機６→搬送ロボット２１→ウエハ・ステーション５０の置き台９→搬送ロボット２０→洗浄機５→搬送ロボット４→ウエハ・カセット（ＣＳ１）に至る経路を経る。１
図１〜図４に示す研磨装置によれば、各研磨部に専用の搬送機構として、直線往復移動する少なくとも２台のステージ（置き台）を有したリニア・トランスポータを備えるため、反転機とトップリングとの間で研磨対象物を移送するのに要する時間を短縮することができ、単位時間当たりの研磨対象物の処理枚数を増すことが可能である。また、研磨対象物がリニア・トランスポータのステージと反転機との間で移送されるとき、研磨対象物はウエハ・トレイと反転機との間で移送され、研磨対象物がリニア・トランスポータのステージとトップリングとの間で移送されるとき、研磨対象物はウエハ・トレイとトップリングとの間で移送されるので、ウエハ・トレイは移送時の衝撃を吸収でき、研磨対象物の移送速度を増加させることができるばかりでなく、研磨対象物のスループットを向上させることができる。また、反転機からトップリングへのウエハの移載をリニア・トランスポータの各ステージに着脱自在に保持したトレイを介して行うことで、例えば、リフタとリニア・トランスポータとの間、リニア・トランスポータとプッシャーとの間でのウエハの移し替えをなくして、発塵や把持ミスに伴う損傷を防止することができる。

さらに、複数のトレイを研磨前の研磨対象物を保持するロード専用のトレイと、研磨後の研磨対象物を保持するアンロード専用のトレイに２分することで、研磨前のウエハはプッシャーからでなく、ロード専用のトレイからトップリングへ受け渡され、研磨後のウエハはトップリングからプッシャーにではなくアンロード専用のトレイに受け渡されるので、トップリングへのウエハのロードとトップリングからのウエハのアンロードが、別の治具又は部材で行われることになり、研磨後のウエハに付着した砥液等がロードとアンロード共通のウエハの支持部材に付着、固化して砥液等が研磨前のウエハを傷つけたり、付着したりするという問題点を解決できる。

以上説明した研磨装置の領域Ｃの適所にはインライン・モニタＩＭが設置され、研磨及び洗浄が終了したウエハは搬送ロボットによりインライン・モニタＩＭへ搬送され、そこでウエハの膜厚やプロファイルが計測される。ライン・モニタＩＭは研磨前のウエハを測定することも可能であり、研磨前後の膜厚差は研磨量に等しいとみなすことができる。こうしてインライン・モニタＩＭは膜厚測定装置として動作する。実際には、インライン・モニタＩＭはロボット３の上方に配置される。更に、研磨装置は、研磨面の表面温度、研磨パッドの厚さ、ドレッサのカットレート、リテーナリングの摩耗量といった、研磨装置の動作状態を表すパラメータを監視する状態モニタＳＭを備える。研磨装置全体の動作は制御ユニットＣＵによって制御される。制御ユニットＣＵ内には、後述するシミュレーション・ソフトや、研磨面の表面温度、パッド厚さ、パッド溝深さ、ドレッサのカットレート値及びトップリングにおけるリテーナリングの摩耗量のうち任意の値を測定し、研磨を最適化するための制御フローのプログラムが格納されている。制御ユニットＣＵは、図１に示すように研磨装置内に設けられていてよいし、研磨装置とは別体であってもよい。なお、状態モニタＳＭ、インライン・モニタＩＭ及び制御ユニットＣＵは図２では省略されている。

ウエハ表面を研磨パッドに押し付ける押圧力と研磨量とは概ね比例することがプレストンの式から知られている。しかし、押圧力を求めるためには、複雑な構造のトップリングをモデル化し、弾性材料である研磨パッドの非線形性や、薄板であるウエハの大きな変形、特にウエハの端面に顕著に表れる応力集中を考慮する必要があり、解析的に数式的な解を得ることは困難である。一方、押圧力を有限要素法や境界要素法を用いて求めるのでは、対象物を多数の要素に分割することになるので、計算量はきわめて大量になり、多大な計算時間と高い計算能力が必要となる。そのうえ、適切な結果を得るためには作業者に数値解析の専門知識が必要となるため、現場で簡易的な調整を行う際の参考にすることやＣＭＰ装置に組み込んで利用することはコスト面や実用面から事実上不可能である。

そこで、上記の構成の研磨装置におけるトップリングをプロファイル・コントロール型とする。ここで言うプロファイル・コントロール型トップリングは、複数の押圧部分を有するトップリングの総称である。即ち、複数のメンブレンで同心円状に区画されたエアバックやウォータバックによる複数の押圧部分を有するもの、区画された空気室に加圧することによりウェハ裏面を空気圧で直接押圧する部分を複数有するもの、圧力をばねによって発生する部分を有するもの、１つ又は複数の圧電素子を配置して局所的な押圧部分を有するものや、これらの組み合わせでもよい。

以下、押圧部分として、同心円状に区画された複数のエアバックを有するトップリングを用いて説明する。すなわち、図５に示すように、トップリングは複数の同心円状のエアバックを備え、ウエハのそれぞれのエリアに対して各エアバックから印加される圧力を調整する。なお、以下では、ウエハのエアバック側をウエハ裏面、研磨パッド側をウエハ表面と呼ぶ。図５は、本発明に係る研磨装置で使用されるトップリングの回転軸を含む面での断面図を示しており、トップリングＴは、中心の円盤状のエアバックＥ１と、該エアバックＥ１を囲むドーナツ状のエアバックＥ２と、該エアバックＥ２を囲むドーナツ状のエアバックＥ３と、該エアバックＥ３を囲むドーナツ状のエアバックＥ４と、該エアバックＥ４を囲むドーナツ状のリテナーリングＥ５とを有する。図示のように、リテーナリングＥ５はパッドに接触可能となるように構成され、研磨テーブルの上に載置されたウエハＷはリテーナリングＥ５によって囲まれた空間内に収容されてエアバックＥ１〜Ｅ４によって個別に加圧される。

なお、トップリングＴを構成するエアバックの数は４個に限定されるものではなく、ウエハのサイズに応じて増減され得る。また、図５には示されていないが、これらのエアバックＥ１〜Ｅ４がウエハＷの裏面に対して加える圧力を調整するための空気圧力供給装置が各エアバック毎にトップリングＴの適所に設けられる。また、リテーナリングＥ５への圧力は、リテーナリングＥ５のうえにエアバックを設けてその他のエアバックと同様に制御してもよいし、トップリングＴを支持するシャフトから直接に圧力を伝達して制御してもよい。本発明においては、各エアバックＥ１〜Ｅ４及びリテーナリングＥ５がウエハＷの裏面及びウエハＷの周辺の研磨パッドに印加する圧力の組み合わせとそれに対するウエハＷの表面の押圧力の分布を、研磨装置の制御ユニットＣＵのメモリに予め記憶させておく。なお、ウエハのスリップアウトを防止するため、リテーナリングＥ５の押圧力を、エアバックＥ１〜Ｅ４の押圧力の総和の平均値の２割以上に設定することが望ましい。

こうした構造を用いることにより、エアバックからウエハ裏面に与える圧力及びリテーナリングから研磨パッドに与える圧力（以下、裏面圧力と呼ぶ）の実用上の圧力設定範囲を１００〜５００ｈＰａと仮定し、空気圧の範囲が±２００ｈＰａの範囲であり、ウエハＷの表面における押圧力分布は実質的に線形（即ち、実質的に重ね合わせの原理が成立する）であるとみなした場合、各エアバックがウエハ裏面の対応エリアに加える所望の圧力によるウエハ表面の押圧力分布は、１００ｈＰａ、３００ｈＰａ、５００ｈＰａの3種類の裏面圧力の組み合わせによるウエハ表面の押圧力分布を合成することによって、±２００ｈＰａの裏面圧力の設定範囲において求めることができる。

すなわち、表面押圧力の変化が実質的に線形（重ね合わせの原理が成立する）とみなせる範囲に裏面の設定圧力を区分して、あらかじめ計算したウエハ表面の押圧力分布のデータを複数のケースについて用意し、その中から適切に選択して合成することにより、有限要素法などによる複雑な計算を行うことなく、任意のウエハ裏面の設定圧力に対応するウエハ表面の押圧力分布を求める。こうしたウエハ表面の押圧力分布を求める手順をコンピュータに記憶させることにより、ウエハ裏面における設定圧力に対するウエハ表面の押圧力分布を得るシミュレーション・ツールを作ることができる。

こうして、ウエハ表面での押圧力分布が求まると、この押圧力分布と、研磨すべきウエハについて予め求められた、ウエハ表面上の研磨係数の分布データとを乗算することによって、当該ウエハの研磨プロファイル予測値を求めることができる。ウエハの研磨量Ｑは、前述のプレストンの実験式から、各エアバックがウエハを押し付ける圧力すなわち押圧力Ｐと接触面の移動速度ｖと研磨時間Δｔとの積に概ね比例することが知られている。ウエハ表面上での接触面の移動速度（即ち、ウエハ表面と研磨パッドとの相対速度）ｖはウエハ表面上の場所で異なり、研磨時間Δｔも研磨条件によって異なるが、単位圧力当たりの研磨レートを研磨係数とするならば、研磨係数はｋｖに相当し、ウエハ表面上についてプレストンの式のｋｖに相当する値の分布を求めておけば、ウエハ表面上における研磨量Ｑや単位時間当たりの研磨量Ｑすなわち研磨レートＱ／Δｔの分布を押圧力Ｐから求めることができる。このような簡単な計算によりウエハの研磨量（研磨レート）を求めることができるため、シミュレーション・ツールによる計算結果を現場での簡易な調整の参考としたり、ＣＭＰ装置に組み込んで利用することができる。

図６は、ウエハ表面上の研磨係数の分布データを得る手順の一例を示している。まず、ステップＳ１において、或るウエハ上の成膜形状を予め測定する。次いでステップＳ２において、その測定したウエハを特定の設定圧力条件と研磨時間で実際に研磨する。このとき、ステップＳ３において、この圧力条件でのウエハ表面の押圧力分布をシミュレーション・ツールを用いて計算しておく。こうして研磨されたウエハの表面上の膜形状を再度測定し、研磨前と研磨後との差から、ウエハ表面上の研磨量の分布を算出する（ステップＳ４）。次いで、ステップＳ５において、算出された研磨量の分布を研磨時間及び計算された押圧力分布で割って、ウエハ表面上の各点での単位圧力あたりの研磨レートの分布、すなわちウエハ表面上の研磨係数の分布を求める。なお、ここで、研磨時間で割らず、単位圧力当たりの研磨量の分布を求めてもよい。また、研磨パッドの初期状態、或る程度使用した状況および使用限度近傍の研磨係数の分布をそれぞれ予め算出しておき、研磨係数の経時変化のデータとして制御ユニットＣＵ内部に記憶させておいてもよい。

ここまで説明したとおり、本方式はエアバックによるプロファイル・コントロール形のトップリングに限るものではなく、ウェハ裏面から作用している力が判れば、それをもとにウェハ表面の押圧力分布を求めてプロファイルを予測できることは明らかである。従って、本方式が応用できるトップリングとしては、各押圧部分が、純水などの加圧液体を内部に受け入れることができる液体バック、区画された空気室を加圧気体で直接加圧するもの、圧力を弾性体例えばばねによって発生させるもの、圧電素子により押圧するものなどがあり、これらの組み合わせで構成したトップリングであってもよい。

こうしたシミュレーション・ツールを用いて、本発明においては、トップリングをエリアごとに研磨圧力が設定できるよう構成し、目標とする研磨プロファイルを得るために各エリアに設定することが必要な圧力を予測計算し、算出された圧力値を以降に研磨されるウエハに対してフィードバックする。これにより、研磨部材の消耗度で研磨プロファイルが経時的に変化しても、その変化を適時に補正し、安定して所望の研磨プロファイルを得ることが可能となる。

これを実現するために、本発明においては、以下の制御フローが実施される。
１．任意の研磨条件にてウエハを研磨する。
２．研磨後のウエハ上の配線メタルまたは絶縁膜の厚さの分布を測定する。この測定は、研磨装置に設置された膜厚測定器で又は研磨装置外の測定器で行うことができ、測定データの取り込みはオンラインでもよいし、他の記憶媒体に記録された測定データを取り込むのでもよい。測定は各エリア内の少なくとも1個所で行う。

３．上の測定結果に基づいて、目標とする研磨プロファイルを作り出すための研磨圧力条件を算出する。これは以下の手順で行われる。
３−１） 目標とする研磨プロファイルを設定する。例えば、ウエハ表面上で、研磨量を管理したい任意の点を複数指定し、指定された各点における研磨量Ｑ_Ｔを設定する方法や、各点における研磨レートＱ_TΔｔ＝Ｑ_Ｔ／Δｔを設定する方法などがあり、どの方法でも処理が可能である。ここでは、研磨量を設定する場合について説明する。

３−２） 実際に研磨したウエハの各エリア毎の研磨量Ｑ_ｐｏｌｉを算出する。なお、研磨量を算出するためには研磨前ウエハの初期膜厚のデータが必要であり、その初期膜厚の測定は研磨装置内に設置される測定器又は研磨装置外に設置されている測定器のどちらかで行う。初期膜厚データの取り込みは２．で説明した方法のいずれかで行われる。

３−３） 算出された各点における研磨量をその点が含まれるエリアの圧力Ｐで割って、単位面圧あたりの研磨量Ｑ_{ｐｏｌｉΔｐ}＝Ｑ_ｐｏｌｉ／Ｐを算出する。
３−４） 上記２．で測定された測定点に最も近い点の目標研磨量Ｑ_Ｔを抽出する。もしくは、測定点の近傍の二点から、線形で目標研磨量Ｑ_Ｔを近似してもよい。

３−５） それぞれ各点において、３−１で設定した目標研磨量Ｑ_Ｔと３−２で算出された研磨量Ｑ_ｐｏｌｉの差Ｑ_Ｔ−Ｑ_ｐｏｌｉを求め、その差に相当する分の研磨量を３−３で算出した単位面圧あたりの研磨量で割算し、補正研磨圧力（Ｑ_Ｔ−Ｑ_ｐｏｌｉ）／Ｑ_{ｐｏｌｉΔｐ}を計算する。

３−６） 上記３−５で算出した補正研磨圧力を研磨時に設定した圧力に加算して圧力値Ｐ_{ｉｎｐｕｔ}を求める。エリア内に複数の測定点が含まれる場合には、複数点で算出した圧力値を平均し、これをエリアの圧力値Ｐ_{ｉｎｐｕｔ}とする。

３−７） 上記３−６で算出した圧力値Ｐ_{ｉｎｐｕｔ}を本発明に係るシュミレーション・ツールに入力し、３−１で指定した各点における研磨量を予測計算して、予測計算された研磨量Ｑ_ｅｓｔを求める。

３−８） 予測計算された研磨量Ｑ_ｅｓｔと目標研磨量Ｑ_Ｔとの差Ｑ_Ｔ−Ｑ_ｅｓｔを計算する。
３−９） 上記３−７で算出した研磨量Ｑ_ｅｓｔを圧力値Ｐ_{ｉｎｐｕｔ}で割算し、単位面圧あたりの研磨量Ｑ_{ｅｓｔΔｐ}＝Ｑ_ｅｓｔ／Ｐ_{ｉｎｐｕｔ}を算出する。

３−１０） 上記３−８で算出した差Ｑ_Ｔ−Ｑ_ｅｓｔを３−９で算出した単位面圧あたりの研磨量Ｑ_{ｅｓｔΔｐ}で割算し、補正圧力値（Ｑ_Ｔ−Ｑ_ｅｓｔ）／Ｑ_{ｅｓｔΔｐ}を求め、これを圧力値Ｐ_{ｉｎｐｕｔ}に加算する。エリア内の点における算出圧力値を平均し、それらを各エリアにおける推奨圧力値Ｐ_{ｏｕｔｐｕｔ}とする。

３−１１） 上記３−１０)で算出した推奨圧力値Ｐ_{ｏｕｔｐｕｔ}をシュミレーション・ツールに再入力し、各点において予測計算された研磨量と目標研磨量の差が予め任意に設定された許容範囲内にあれば、この推奨圧力値Ｐ_{ｏｕｔｐｕｔ}を以降に実際に研磨されるウエハに対して適用する（フィードバックする）。差が許容範囲外であれば、許容範囲内になるまで、３−７から３−１０までの手順を繰り返し、推奨圧力値を求める。

なお、フィードバックの周期は自由に設定可能で、周期の設定例として全てのウエハに対して測定を行って次に研磨されるウエハにフィードバックをかける方法や、研磨部材の消耗度合が少ないときは研磨プロファイルの変化が小さいのでフィードバックをかけず、消耗度合が多くなってきた時点からフィードバックをかける方法がある。更に後者で設定される周期も任意のウエハ毎に測定を行い、一度測定が行われてから次にウエハが測定されるまでは、その直前にフィードバックされた研磨条件を適用し続ける方法があり、消耗が更に進んだ時点ではその周期を短くしていくように設定することも可能である。なお、研磨レートを設定する場合は、上記３のプロセスにおいて各研磨量を研磨時間で割ればよい。

さらに、研磨プロファイルの予測の際に行っていたエッジ形状の影響による研磨係数を補正する代わりに、上記推奨圧力値の算出後にエッジ形状測定結果による裏面圧力の補正を行うことにより、エッジ部研磨プロファイルの補正を行うことができ、エッジ形状によるウエハ外周部の研磨ばらつきを抑制することができる。例えば、酸化膜ウエハの場合、リテーナリング部（Ｅ５）の推奨圧力値に、ロールオフの大きさに応じた圧力補正係数を乗じればよい（補正リテーナリング部圧力値＝圧力補正係数×リテーナリング部推奨圧力値）。ここで、圧力補正係数は、例えば事前に既知のロールオフを持つウエハをリテーナリング圧力を変えて実際に研磨することで作成される。また、有限要素法により押圧力とロールオフの大きさとの関係を計算して作成してもよい。

また、ロールオフの大きさは研磨されることによって時々刻々と変化するので、研磨装置に設置された測定器で研磨中にロールオフの大きさを測定することにより、研磨中に圧力を補正することもできる。また、圧力補正係数を研磨時間をも考慮して作成することにより、研磨中にロールオフの大きさを測定することなく圧力を補正することができる。

金属膜ウエハの金属膜端部の形状についても、酸化膜のロールオフの補正方法と同様の方法で補正することができる。なお、圧力補正係数によるエッジ形状の補正方法は、上記推奨圧力値の算出を実施しない場合にも適応可能である。

図１に示す研磨装置はトップリングを交換することで、様々な研磨対象に適用することができる。研磨対象を変更するためにトップリングを交換した際には、一般にはトップリングの形状に合わせて予め計算しておく研磨対象物表面の押圧力分布の組みを変更する必要がある。これは、別途に予め計算してある押圧力分布の計算結果を設定してもよいし、研磨装置の初期立ち上げ時にトップリングのエアバックの数や使用圧力範囲などのパラメータを入力してそれに対応した複数の研磨対象物表面の押圧力分布を研磨装置内部で計算してコントロール・ユニットに記憶させておく方式としてもよい。

このように、図１の研磨装置においては、平坦に研磨する場合のみならず特有の形状に研磨するようにもレシピを作ることが可能であり、研磨前のウエハの膜表面形状が平坦でない場合にも、その形状を考慮して、研磨後の残膜形状を平坦にするレシピを作ることが可能になる。また、研磨条件の最適化も従来のようにエンジニアの経験則に頼ることが無く、最適条件を算出して所望の研磨プロファイルになるよう研磨することができ、複数枚の試験ウエハを研磨してから研磨条件を設定する従来に較べ、手間、時間、コストを削減することができる。

これまでの説明においては、シミュレーション・ソフトはウエハの初期膜厚及び研磨後の膜厚とトップリングの押圧力との２つの変数を使用していた。更に、本発明においては、プレストンの実験式ではカバーしきれないパラメータをも十分にモニタリングすることにより補正精度の向上を図り、集積回路の更なる微細化に伴う研磨形状の均一化を実現するため、更に、研磨面の表面温度、パッド厚さ、パッド溝深さ、ドレッサのカットレート値及びトップリングにおけるリテーナリングの摩耗量をも研磨に反映させる。

これを実施するために、本発明に係る研磨装置の状態モニタＳＭ（図１）は以下の動作を行い、その出力を制御ユニットＣＵに供給することにより、シミュレーション・ソフトでは考慮されていないパラメータを用いて更に研磨を最適化する。

（１）研磨面の表面温度に関しては、研磨を続行してもよい温度範囲を設定し、状態モニタＳＭによって研磨面表面温度をモニタする。これは、状態モニタＳＭに例えば放射温度計を設けることで実施される。モニタの結果、研磨面の表面温度が設定された温度範囲の上限又は下限を越えたことを状態モニタＳＭが検出したとき、制御ユニットＣＵは研磨を中止させて研磨面を冷却させる。研磨面の冷却は以下のように行われる。研磨テーブル内部には水等の冷却媒体を流通させるための流路が設けられている。制御ユニットから研磨の中止信号が出力された際には、冷却媒体の流量を増大し、又は冷却媒体そのものの温度を下げる。なお、ここでは制御ユニットからの中止信号を基に冷却媒体の流量や温度を操作したが、状態モニタＩＭの出力に応じて、即ち、研磨面の温度変化の応じて冷却媒体の流量や温度を操作しても良い。その後、状態モニタＳＭが研磨面の表面温度が上記温度範囲内に入ったことを検出したならば、制御ユニットＣＵは研磨を再開させる。この場合、研磨を中止している期間には、シミュレーション・ソフトを停止させておいてもよい。

（２）状態モニタＳＭは研磨テーブル上の研磨パッドの厚み又は研磨パッドの溝の深さをも監視する（これについては図７によって詳述する）。状態モニタＳＭが研磨パッドの厚み又は研磨パッドの溝の深さが０．１ｍｍ減少したことを検出する毎に、これまで研磨してきたウエハに代えてモニターウエハを研磨し、その研磨結果からシミュレーション・ソフトのデフォルト値を修正して、次に研磨するウエハに対する、トップリング内のリテーナリング及びエアバッグの圧力バランスを最適化する。こうして研磨を行っていき、研磨パッドの厚さや溝の深さが所定の閾値を下回ったことを状態モニタＳＭが検出すると、制御ユニットＣＵは研磨を停止させる。これに応じてオペレータは研磨パッドを張り替える。

なお、状態モニタＳＭはレーザー変位計を備えており、研磨パッドの厚さは、研磨パッドの表面をレーザー変位計によって直接監視することにより、又は、研磨パッドに接触する部材までの距離をレーザー変位計で測定することにより、モニタリングすることができるが、これに限られるものではない。

（３）ドレッサの目立て不足や研磨屑の除去量の低下を防止するため、状態モニタＳＭは、パッド・コンディショニングを行う際のドレッサのカットレートをモニタリングする。このカットレートが所定の閾値を下回ったことを状態モニタＳＭが検出したとき、制御ユニットＣＵは研磨を中止させ、又は、ドレッサによるコンディショニング時間、つまり研磨パッドを削る時間を延長させる。これにより、研磨パッドに対して常に一定の削り込みを行うことができるので、精度の良い研磨が可能になる。なお、上記カットレートの変化は、ドレッサがコンディショニングのために使用するモータのトルクを監視することによって検出することができる。

（４）更に、状態モニタＳＭはトップリング内のリテーナリングの摩耗量を監視することができる。そこで、状態モニタＳＭがリテーナリングの摩耗量が或る閾値を下回ったことを検出したとき、制御ユニットＣＵは研磨の中止を指令する。

なお、以上のとおり、プレストンの基本式ではカバーしきれないパラメータをも考慮して研磨を行っても所望の結果が得られないときには、スラリーの供給量を調整することが好ましい。なお、上述した（１）から（４）までの制御フローはプログラムとして制御ユニットＣＵ内に格納される。

図７Ａは、研磨パッドの厚さを検出するために状態モニタＳＭに設けられたレーザー変位計によって機械的ドレッサ３８、３９（図１）の位置の相対変化を測定する構成の一例を概略的に示す図である。図示のとおり、それぞれのドレッサの駆動軸９３の適所に、レーザ光を反射することができる材質から形成された、又はレーザ光を反射することができる膜が表面に形成されたバー部材１００１が取り付けられる。このバー部材１００１に対してレーザ光を照射し且つバー部材１００１から反射されたレーザ光を受光することができる位置に、適宜の取り付け手段によってレーザー変位計１００２が取り付けられる。これにより、コンディショニングの進行とともに研磨パッドの厚さが減少すると、レーザー変位計１００２はバー部材１００１とレーザー変位計１００２との間の距離の変化、すなわち研磨パッドの厚さの減少に対応する信号を出力する。

図７Ｂは、レーザー変位計１００３からの出力を利用して求めた、コンディショニング時間と研磨パッドの厚さの減少との関係を示している。このグラフから、研磨パッドの厚さはコンディショニングの進行と共にほぼ線形に減少することが分かる。これを利用することにより、研磨パッドの厚さの時間的変化率、すなわちドレッサのカットレートを求めることができる。

以上説明したとおりの研磨装置を用いて実際にウエハの研磨を行ったところ、以下の結果を得た。なお、研磨は、研磨パッドにはＩＣ１０００／Ｓｕｂａ４００（Ｋ−ｇｒ）を、スラリーにはＳＳ−２５を使用し、研磨テーブルの回転速度を毎分７０／７１回転、トップリングの回転速度を毎分７１回転とし、エアバックの圧力のデフォルト値は２５０ｈＰａ、ドレッサの押圧力は２００Ｎに設定して行った。

こうした条件の下で研磨を次の手順で行った。まず、研磨パッドを張り替えた後、モニタ・ウエハを研磨し、その研磨結果からトップリング内のエアバックの圧力バランスを最適化してウエハを研磨する。次いで、研磨パッドを０．１ｍｍ削り込んだ後、モニタ・ウエハを研磨し、その結果からトップリング内のエアバックの圧力バランスを最適化してウエハを研磨する。更に研磨パッドを０．１ｍｍ削り込んだ後、モニタ・ウエハを研磨し、その結果からエアバックの圧力バランスを最適化してウエハを研磨する。以下、この手順を所要回数だけ反復する。

なお、機械的ドレッサ３８、３９をボールねじ等の機構で送り込む場合には、送り込みのためのモータ駆動にかかるパルス数を計測することによって機械的ドレッサの送り量を算定することもできる。

図８Ａは、本願の発明を適用した場合と適用しなかった場合とにおけるＣＭＰ前後の残膜の状態を説明する図である。ウエハ表面は平坦ではなく、部分的に凹凸や高低がある。ウエハの研磨対象膜の膜厚の最大値と最小値との差を膜厚差と呼ぶ。ウエハの被研磨面が平坦のとき、膜厚差はゼロである。また、研磨後の膜厚差と研磨前の膜厚差との差を残膜差と呼ぶ。

図８Ａは、本願発明適用時と未適用時とにおける残膜差Δを、トップリング内のエアバックＥ１〜Ｅ５の圧力を図示のごとく設定した条件下で且つ研磨パッドの溝の深さが０．４ｍｍ、０．３ｍｍ及び０．２ｍｍである場合について示している。即ち、残膜差Δは
溝の深さが０．４ｍｍで本願発明を適用しなかったときには３．３ｎｍ
溝の深さが０．４ｍｍで本願の発明を適用したときには−４３．５ｎｍ
溝の深さが０．３ｍｍで本願の発明を適用しなかったとときには７．２ｎｍ
溝の深さが０．３ｍｍで本願の発明を適用したときには−２９．４ｎｍ
溝の深さが０．２ｍｍで本願の発明を適用しなかったときには６８．６ｎｍ
溝の深さが０．２ｍｍで本願の発明を適用したときには−６５．３ｎｍ
であった。これをグラフ化したものが図８Ｂである。残膜差がマイナスであれば、研磨後の膜厚差の方が研磨前の膜厚差よりも小さいので、研磨前に比べて膜厚差が改善された、すなわち平坦度が改善されたことになる。したがって、本願の発明を適用することによりＣＭＰ後の膜厚差が大幅に減少したことが分かる。

次に、図９は研磨パッドの使用量が０．０ｍｍである場合の膜厚と研磨率とを示しており、●は本願の発明を適用したときの値、◆は本願の発明を適用しなかったときの値である。図９Ａは、３００ｍｍウエハの中心からの半径方向距離とＣＭＰ前の膜厚との関係を示すグラフ、図９Ｂは、図９Ａにおけるウエハの中心からの半径方向距離とＣＭＰ後の膜厚との関係を示すグラフである。そこで、本願の発明を適用したときと適用しなかったときについてＣＭＰ前後の膜厚から研磨率を求めたところ、図９Ｃに示すグラフを得た。このグラフに研磨率のシミュレーション結果（○で示す）をプロットしたところ、本願の発明を適用したときの研磨率はシミュレーション結果と良く一致することが分かった。

図１０は研磨パッドの使用量が０．１ｍｍである場合の膜厚と研磨率とを示しており、●は本願の発明を適用したときの値、◆は本願の発明を適用しなかったときの値である。図１０Ａは、３００ｍｍウエハの中心からの半径方向距離とＣＭＰ前の膜厚との関係を示すグラフ、図１０Ｂは、図１０Ａにおけるウエハの中心からの半径方向距離とＣＭＰ後の膜厚との関係を示すグラフである。そこで、本願の発明を適用したときと適用しなかったときについてＣＭＰ前後の膜厚から研磨率を求めたところ、図１０Ｃに示すグラフを得た。ここに研磨率のシミュレーション結果（○で示す）をプロットしたところ、研磨パッドの消耗すなわち研磨パッドの溝が浅くなるのに伴い、研磨率は若干ではあるが中心で低下するが、中心部での研磨率はシミュレーション結果と良く一致しており、外周部においては実際の値とシミュレーション結果とが多少相違することが認められた。

図１１は、研磨パッドの使用量が０．２ｍｍである場合の膜厚と研磨率とを示しており、●は本願の発明を適用したときの値、◆は本願の発明を適用しなかったときの値である。図９及び図１０と同様に、図１１Ａは、３００ｍｍウエハの中心からの半径方向距離とＣＭＰ前の膜厚との関係を示すグラフ、図１１Ｂは、図１１Ａにおけるウエハの中心からの半径方向距離とＣＭＰ後の膜厚との関係を示すグラフである。そこで、本願の発明を適用したときと適用しなかったときについてＣＭＰ前後の膜厚から研磨率を求めたところ、図１１Ｃに示すグラフを得た。このグラフに、○で示す研磨率のシミュレーション結果をプロットしたところ、研磨率は中心で大幅に低下し、外周部ではシミュレーション結果と大きく相違することが認められた。シミュレーション・アプリケーションのデフォルト値は修正される必要がある。

産業上の利用可能性
以上説明したところから理解されるとおり、本発明は、プレストンの基本式に基づくシミュレーション・ソフトを用いて加工圧力の最適化を図るとともにプレストンの基本式ではカバーしきれないパラメータをも考慮して研磨を実行するようにしたので、集積回路の更なる微細化に伴って要求されるウエハの研磨形状の均一化を実現することができる。更に、消耗材の状態を正確に管理することによって消耗材の寿命を延ばし、運転コストを低減することができる。

本発明に係る研磨装置の一つの実施の形態を概略的に示す平面図である。 図１の研磨装置の斜視図である。 図１の研磨装置の一部の構成要素を説明する図である。 図１の研磨装置の一部の構成要素を説明する図である 図１の研磨装置で用いられるトップリングの構成を示す断面図である。 図１の研磨装置において、研磨率の分布データを得るための手順を説明するフロー図である。 図１の研磨装置において研磨パッドの厚さの変化をレーザー変位計によって検出するための構成を概略的に示す図である。 レーザー変位計の出力の時間変化を示すグラフである。 本発明に係る研磨方法を用いたときと用いなかったときを比較して示す表である。 比較結果を示すグラフである。 研磨パッドの使用量が０．０ｍｍのときの、ＣＭＰ前のウエハの膜厚を示す図である。 研磨パッドの使用量が０．０ｍｍのときの、ＣＭＰ後のウエハの膜厚を示す図である。 研磨パッドの使用量が０．０ｍｍのときの研磨率を示す図である。 研磨パッドの使用量が０．１ｍｍのときの、ＣＭＰ前のウエハの膜厚を示す図である。 研磨パッドの使用量が０．１ｍｍのときの、ＣＭＰ後のウエハの膜厚を示す図である。 研磨パッドの使用量が０．１ｍｍのときの研磨率（Ｃ）を示す図である。 研磨パッドの使用量が０．２ｍｍのときの、ＣＭＰ前のウエハの膜厚を示す図である。 研磨パッドの使用量が０．２ｍｍのときの、ＣＭＰ後のウエハの膜厚を示す図である。 研磨パッドの使用量が０．２ｍｍのときの研磨率（Ｃ）を示す図である。

Claims (10)

1. 制御ユニットの制御の下で研磨対象物を研磨するための研磨装置であって、
   少なくとも２つの押圧部分を有し、それぞれの前記押圧部分ごとに任意の圧力を前記研磨対象物に印加することができるトップリングと、
   研磨対象物の研磨量を測定する測定装置と、
   前記研磨対象物の研磨状態を監視する監視装置と、
   を具備し、前記制御ユニットが、前記測定装置の出力及び前記監視装置の出力とに基づいて、前記研磨対象物の研磨プロファイルを最適化するのに必要な加工圧力を前記トップリングに設定するためのシミュレーション・ソフトにしたがって前記研磨対象物の研磨を行わせることを特徴とする研磨装置。
2. 前記少なくとも２つの押圧部分が、複数の同心円状のエアバックと、該エアバッグを囲むリテーナリングとを含み、
   前記リテーナリングの圧力を、前記エアバックの圧力の総和の平均値の２割よりも大きい値に維持する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記トップリングで押圧された状態で前記研磨対象物を研磨するための研磨パッドを更に備え、
   前記監視装置が、前記研磨パッドが所定厚さ削り込まれたことを検出すると、前記制御ユニットが、前記研磨対象物に代えてモニタ・ウエハを研磨するよう前記研磨装置に指令することを特徴とする、請求項１又は２に記載の研磨装置。
4. 前記監視装置の出力が、前記リテーナリングの摩耗量が閾値を下回ったことを示したとき、前記制御ユニットが研磨を中止するよう指令することを特徴とする、請求項２に記載の研磨装置。
5. 前記監視装置の出力が、前記研磨対象物の表面温度が所定の設定温度を越えたことを示したとき、前記制御ユニットが、前記シミュレーション・ソフトの使用を中止し、又は研磨を中止するよう指令し、
   前記監視装置の出力が、前記表面温度が前記設定温度よりも下がったことを示したとき、前記制御ユニットが研磨を再開するよう指令する
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の研磨装置。
6. 前記トップリングによって押圧された状態で前記研磨対象物を研磨するための研磨パッドを更に備え、
   前記監視装置の出力が、前記研磨パッドの厚みが閾値を下回ったことを示したとき、前記制御ユニットが、前記シミュレーション・ソフトの使用を中止し、又は研磨を中止するよう指令することを特徴とする、請求項１又は２に記載の研磨装置。
7. 前記監視装置が、前記研磨パッドの厚みを測定するためのレーザー変位計を備えることを特徴とする、請求項６に記載の研磨装置。
8. 前記トップリングによって押圧された状態で前記研磨対象物を研磨するための研磨パッドと、前記研磨パッドをコンディショニングするためのドレッサとを更に備え、
   前記監視装置の出力が、前記ドレッサのカットレートが閾値を下回ったことを示したとき、前記制御ユニットが、前記シミュレーション・ソフトの使用を中止し、又は研磨を中止するよう指令することを特徴とする、請求項１又は２に記載の研磨装置。
9. 前記ドレッサを駆動するためのモータのトルクを用いて前記カットレートを監視することを特徴とする、請求項７に記載の研磨装置。
10. 前記制御ユニットが、前記研磨状態に応じてスラリーの供給量を調整することができることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載の研磨装置。

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