JP2010240837A - 研磨方法および研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサの出力信号がパターンの密度や構造の異なるエリアから受ける影響、あるいは、成膜工程で生じる周方向の膜厚のばらつきから受ける影響を軽減して、精度のよい研磨終点検知および膜厚均一性を実現することができる研磨方法および研磨装置を提供する。
【解決手段】本発明の研磨方法は、被研磨物をトップリング１１４で保持しつつ回転させ、回転する研磨テーブル１１２上の研磨面に被研磨物Ｗを押圧して該被研磨物Ｗを研磨し、研磨テーブル１１２に設置されたセンサ１５０で研磨中の被研磨物Ｗの表面状態をモニタリングする工程を含み、所定の測定時間内にセンサ１５０が被研磨物Ｗの表面に描く軌跡が被研磨物Ｗの表面の全周にわたって略均等に分布するようにトップリング１１４と研磨テーブル１１２の回転速度を設定する。
【選択図】図１１

Description

本発明は、基板などの加工対象物の被加工面の特性値を算出して、加工終点（研磨停止、研磨条件の変更、エッチング停止、成膜停止など）のタイミングを検知する加工終点検知方法に関するものである。
また、本発明は、半導体ウェハなどの基板を研磨して平坦化する研磨方法および研磨装置に関するものである。

近年の半導体デバイスの高集積化に伴う配線の微細化、及び多層化の要求によって、基板の表面の平坦度が要求されている。このため、化学機械研磨（ＣＭＰ）により基板の表面の凹凸を除去してその表面を平坦化することが行われている。

上記化学機械研磨においては、所定時間の研磨を行った後に所望の位置で研磨を終了する必要がある。例えば、ＣｕやＡｌなどの金属配線の上部にＳｉＯ_２等の絶縁層（この後の工程で絶縁層の上に更に金属などの層を形成するため、このような絶縁層は層間膜と呼ばれる。）を残したい場合がある。このような場合、研磨を必要以上に行うと下層の金属膜が表面に露出してしまうので、層間膜を所定の膜厚だけ残すように研磨を終了する必要がある。

また、基板に予め所定パターンの配線用の溝を形成しておき、その中にＣｕ（銅）又はその合金を充填した後に、表面の不要部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去する場合がある。Ｃｕ層をＣＭＰプロセスにより研磨する場合、配線用溝の内部に形成されたＣｕ層のみを残して基板からＣｕ層を選択的に除去することが必要とされる。すなわち、配線用の溝部以外の箇所では、（ＳｉＯ_２などからなる）絶縁膜が露出するまでＣｕ層を除去することが求められる。

この場合において、過剰研磨となって、配線用の溝内のＣｕ層を絶縁膜と共に研磨してしまうと、回路抵抗が上昇し、基板全体を廃棄しなければならず、多大な損害となる。逆に、研磨が不十分で、Ｃｕ層が絶縁膜上に残ると、回路の分離がうまくいかず、短絡が起こり、その結果、再研磨が必要となり、製造コストが増大する。

このため、光学式センサを用いて反射光強度を測定し、測定された反射光強度に基づいてＣＭＰプロセスの加工終点を検出する研磨状態監視装置が知られている。すなわち、投光素子と受光素子とを備えた光学式センサを設置し、この光学式センサから基板の被研磨面に光を照射する。そして、被研磨面における光の反射強度の変化を検知して、ＣＭＰプロセスの加工終点を検出している。

ここで、上述したＣＭＰプロセスにおいて光学的特性を測定する方法としては、以下のようなものが知られている。
（１）半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）などの単色光源を被研磨面に照射し、その反射強度の変化を検出する。
（２）白色光を被研磨面に照射し、その分光（比）反射強度を予め記録してある研磨終点の分光（比）反射強度と比較する。

最近では、基板の初期膜厚を推定し、レーザ光を基板に照射して、反射した反射光の反射強度の測定値の時間変化を正弦波のモデル関数で近似して膜厚を算出する研磨状態監視装置も開発されている。

また、基板に光を照射して得られたスペクトルデータに重み関数を乗じて積分することにより基板の特性値を算出し、この特性値の時間的変化から研磨終点を検知する方法も提案されている（例えば、日本国特開２００４−１５４９２８号公報参照）。

しかしながら、従来の方法では、研磨終点を示す指標となる特徴点（反射強度や特性値の特徴的な変化点）を捉えることが難しく、正確な研磨終点を検知することが困難であった。例えば、単色光源を用いた場合、光源波長に対して、膜厚と反射強度信号の関係は一意的に決まり、必ずしも終点検知すべき膜厚で特徴点が出るとも限らない。また、これを修正することも困難である。

一方、白色光などの多波長を用いた場合、波長を任意に選択できるので、希望する膜厚における反射強度の特徴点を出すことは可能である。しかし、被研磨物の構造に最適な波長を選択するには、試行錯誤が必要なため、選択に多大な時間を要したり、最適な波長であることの確認が難しいという課題があった。

上記ＣＭＰを行う研磨装置として、トップリング内の複数のチャンバの圧力を独立に調整できるものが知られている。この研磨装置においては、例えば、基板上の膜厚に関連した物理量をセンサが測定し、この物理量に基づいてモニタリング信号が生成される。基板の研磨前には、予め、モニタリング信号と時間との関係を示す基準信号が用意され、研磨中においては、基板上のそれぞれの計測点におけるモニタリング信号が基準信号に収束するように、トップリングの押圧力が調節される。これにより、基板面内で均一な残膜厚を実現する（例えば、ＷＯ ２００５／１２３３３５参照）。

近年では、半導体デバイスの高速化、高集積化に伴い、一つの半導体チップ内にメモリ部や演算部など諸機能を盛り込みＣＰＵの高機能化が行われている。このような半導体チップ内では、パターンの密度や構造の異なるエリアが混在することになる。また、チップサイズも年々大きくなり、ＣＣＤデバイスではフィルムサイズ２４×３６ｍｍのものもある。半導体製造では、このようなチップを１枚の基板内に多数形成するため、基板の表面内にパターンの密度や構造の異なるエリアが散在することになる。さらに、デバイスの仕上がりを評価するため、基板の一部にデバイスとはパターン構造が大きく異なる電気特性評価用のパターンが存在することもある。

このような基板を研磨する際、光を基板の表面に照射しその反射光を光学式センサにより検出することで基板表面の膜厚変化をモニタリングすることが行われている。しかしながら、基板表面からの反射光の強度は、研磨による膜厚変化だけでなく、デバイスパターンや構造の影響も受けて複雑に変化する。即ち、研磨中は、研磨テーブルおよびトップリングが共に回転しているので、研磨テーブルに搭載された光学式センサが基板表面を走査するとき、毎回基板上のパターンの密度や構造の異なるエリアをセンサが通過することになる。このため、反射光の強度がデバイスパターンや構造の影響を受けて変化し、これが大きなノイズとなって膜厚変化を示す信号に重なってしまう。このような場合、信号を平滑化するための処理を施しても、ノイズが大きいため膜厚変化を正確にモニタリングすることができず、研磨終点検出精度や均一な膜厚を得るための研磨制御に影響を与えていた。

研磨対象物が銅膜である場合、膜厚を測定するために渦電流式センサが用いられることが多い。この銅膜は一般にめっきにより形成される。銅めっきを行うめっき装置は、一般に、基板の周縁部に等間隔に配置されたカソード電極を有し、基板の表面に供給されためっき液をシール部材で保持しつつ、カソード電極とめっき液中のアノード電極との間に電圧を印加して銅を基板の表面にめっきする。このようなめっき装置を用いた場合、カソード電極の接触抵抗やシール部材のシール性のばらつきによって、基板の周縁部において周方向に膜厚のばらつきが生じてしまう。その結果、研磨時においては、ある時間では、センサは膜厚の厚い部位または薄い部位のみを走査することになり、平均的な膜厚を把握することができなかった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、センサの出力信号がパターンの密度や構造の異なるエリアから受ける影響、あるいは、成膜工程で生じる周方向の膜厚のばらつきから受ける影響を軽減して、精度のよい研磨終点検知および膜厚均一性を実現することができる研磨方法および研磨装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、被研磨物をトップリングで保持しつつ回転させ、回転する研磨テーブル上の研磨面に被研磨物を押圧して該被研磨物を研磨し、前記研磨テーブルに設置されたセンサで研磨中の被研磨物の表面状態をモニタリングする工程を含み、所定の測定時間内に前記センサが被研磨物の表面に描く軌跡が前記被研磨物の表面の全周にわたって略均等に分布するように前記トップリングと前記研磨テーブルの回転速度を設定することを特徴とする研磨方法である。

本発明の好ましい態様は、前記所定の測定時間内に前記センサの軌跡が被研磨物の表面を約０.５×Ｎ回（Ｎは自然数）回転するように前記トップリングと前記研磨テーブルの回転速度を設定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記所定の測定時間は、前記センサから得られたモニタリング信号を移動平均処理するときの移動平均時間であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記センサにより被研磨物の表面状態をモニタリングして研磨終点を検知することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記センサにより被研磨物の表面状態をモニタリングしながら、該被研磨物の表面の膜厚が均一になるように研磨することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、所定の測定時間は、４から１６×Ｖ（Ｖは前記研磨テーブルの回転速度を表す）までの自然数から選択された回数を前記研磨テーブルが回転する時間であることを特徴とする。

本発明の他の態様は、被研磨物をトップリングで保持しつつ回転させ、回転する研磨テーブル上の研磨面に被研磨物を押圧して該被研磨物を研磨し、前記研磨テーブルに設置されたセンサで研磨中の被研磨物の表面状態をモニタリングする工程を含み、前記研磨テーブルが第１の自然数で表わされる所定の回数だけ回転する間に、前記トップリングが前記第１の自然数と互いに素な第２の自然数に等しい回数だけ回転するように、前記トップリングと前記研磨テーブルの回転速度を設定し、前記第１の自然数は、４以上であって、１６秒の間に前記研磨テーブルが回転する回数以下であることを特徴とする研磨方法である。

本発明の他の態様は、被研磨物をトップリングで保持しつつ回転させ、回転する研磨テーブル上の研磨面に被研磨物を押圧して該被研磨物を研磨し、前記研磨テーブルに設置されたセンサで研磨中の被研磨物の表面状態をモニタリングする工程を含み、前記トップリングの回転速度と前記研磨テーブルの回転速度が、ｎＶ／ｍ−１≦Ｒ≦ｎＶ／ｍ＋１またはｍ・Ｒ／ｎ−１≦Ｖ≦ｍ・Ｒ／ｎ＋１で表される関係式を満たすことを特徴とする研磨方法。ただし、Ｖは前記研磨テーブルの回転速度で、研磨装置が許容する設定単位の倍数を示す自然数、Ｒは前記トップリングの回転速度で、研磨装置が許容する設定単位の倍数を示す自然数、ｍは所定の自然数であって、かつ前記センサが被研磨物の表面を全周にわたり周方向に均等な方向・向きに走査するのに要する前記研磨テーブルの回転回数、ｎはｍと互いに素な自然数である。

本発明の他の態様は、被研磨物を保持しつつ回転させるトップリングと、前記トップリングに保持された被研磨物が押圧される研磨面を有する回転可能な研磨テーブルと、前記研磨テーブルに設置され、研磨中の被研磨物の表面状態をモニタリングするセンサとを備え、前記トップリングと前記研磨テーブルの回転速度は、所定の測定時間内に前記センサが被研磨物の表面に描く軌跡が前記被研磨物の表面の全周にわたって略均等に分布するように設定されていることを特徴とする研磨装置である。

本発明の他の態様は、被研磨物を保持しつつ回転させるトップリングと、前記トップリングに保持された被研磨物が押圧される研磨面を有する回転可能な研磨テーブルと、前記研磨テーブルに設置され、研磨中の被研磨物の表面状態をモニタリングするセンサとを備え、前記研磨テーブルが第１の自然数で表わされる所定の回数だけ回転する間に、前記トップリングが前記第１の自然数と互いに素な第２の自然数に等しい回数だけ回転するように、前記トップリングと前記研磨テーブルの回転速度が設定され、前記第１の自然数は、４以上であって、１６秒の間に研磨テーブルが回転する回数以下であることを特徴とする研磨装置である。

本発明の他の態様は、被研磨物を保持しつつ回転させるトップリングと、前記トップリングに保持された被研磨物が押圧される研磨面を有する回転可能な研磨テーブルと、前記研磨テーブルに設置され、研磨中の被研磨物の表面状態をモニタリングするセンサとを備え、前記トップリングの回転速度と前記研磨テーブルの回転速度が、ｎＶ／ｍ−１≦Ｒ≦ｎＶ／ｍ＋１またはｍ・Ｒ／ｎ−１≦Ｖ≦ｍ・Ｒ／ｎ＋１で表される関係式を満たすことを特徴とする研磨装置である。

本発明の参考例は、被研磨物を保持しつつ回転させるトップリングと、前記トップリングに保持された被研磨物が押圧される研磨面を有する回転可能な研磨テーブルと、前記研磨テーブルに設置され、研磨中の被研磨物の表面状態をモニタリングするセンサと、前記センサからの信号を演算するモニタリング装置とを備え、前記トップリングと前記研磨テーブルの回転速度は、前記センサが被研磨物の表面を走査する軌跡が毎回同じにならないように設定され、前記モニタリング装置は、被研磨物の表面を一周する複数の前記軌跡を一組として、該一組の軌跡の信号値を平均化する演算を行うことを特徴とする研磨装置である。

本発明の他の参考例は、目標膜厚において極大値、極小値などの特徴的な変化点をもつような特性値を簡便に得られる加工終点検知方法及び加工装置を提供し、精度の高い加工終点検知を実現することを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明の一参考例は、被加工物の被加工面に光を照射して得られる反射光の分光波形を用いて算出された前記被加工面に対する特性値に基づいて加工終点を検知する方法であって、基準被加工物を用いて、またはシミュレーション計算により、加工終点における反射強度と波長との関係を示す分光波形を生成し、前記分光波形に基づいて、反射強度の極大値および極小値となる波長を選択し、前記選択された波長における反射強度から被加工面に対する特性値を算出し、被加工物の加工終点における特性値の時間変化の特徴点を加工終点として設定し、被加工物の加工中に前記特徴点を検知することにより被加工物の加工終点を検知することを特徴とする。
なお、加工の具体例としては、膜を有する基板の研磨や、基板上への成膜が挙げられる。
本参考例によれば、研磨終点などの加工終点において特徴的な変化点を持ち、かつ、ＳＮ比のよい特性値を得ることができるので、精度よく加工終点を検知することが可能となる。

本参考例の好ましい態様は、前記基準被加工物の加工時間内における各波長の平均反射強度を求め、前記基準被加工物の加工終点における反射強度を前記平均反射強度で割ることにより基準分光波形を生成し、極大値および極小値となる波長の前記選択を、前記基準分光波形に基づいて行うことを特徴とする。
本参考例の好ましい態様は、前記選択された極大値となる波長を中心とした重さを有する重さ関数を定義し、被加工物の被加工面に光を照射して得られる反射光の反射強度に前記重み関数を乗じて積分することにより前記被加工面に対する特性値を算出し、前記特性値の時間変化の特徴点を検知することにより被加工物の加工終点を検知することを特徴とする。
本参考例の好ましい態様は、前記選択された波長を前後の波長へシフトさせることを特徴とする。

本発明の他の参考例は、被加工物の被加工面に多波長からなる光を照射して得られる反射光の分光波形を用いて算出された前記被加工面に対する特性値に基づいて加工終点を検知する方法であって、基準被加工物を用いて、またはシミュレーション計算により、加工時間内における各波長の平均反射強度を求め、被加工物の加工中に多波長からなる光を照射して得られた反射光の分光波形の反射強度を、前記基準被加工物の平均反射強度で割った基準分光波形をモニタリングすることにより被加工物の加工終点を検知することを特徴とする。

本発明の他の参考例は、光を被加工物の被加工面に照射する光源と、前記被加工面からの光を受ける受光部と、前記受光部に受光された光を分光し、電気的情報に変換する分光器ユニットと、前記分光器ユニットからの電気的情報を演算する演算部とを有し、前記演算部は、基準被加工物の加工時間内における各波長の平均反射強度を求め、前記基準被加工物の加工終点における反射強度を前記平均反射強度で割ることにより基準分光波形を生成し、該基準分光波形の極大値および極小値となる波長を選択し、前記選択された波長における反射強度から前記基準被加工物の被加工面に対する特性値を算出し、被加工物の加工終点における特性値の時間変化の特徴点を加工終点として設定し、加工中に前記特徴点を検知することにより被加工物の加工終点を検知することを特徴とする加工装置である。

本発明の他の参考例は、多波長からなる光を被加工物の被加工面に照射する光源と、前記被加工面からの光を受ける受光部と、前記受光部に受光された光を分光し、電気的情報に変換する分光器ユニットと、前記分光器ユニットからの電気的情報を演算する演算部とを有し、前記演算部は、基準被加工物の加工時間内における各波長の平均反射強度を求め、被加工物の加工中に多波長からなる光を照射して得られた反射光の分光波形の反射強度を、前記基準被加工物の平均反射強度で割った基準分光波形をモニタリングすることにより被加工物の加工終点を検知することを特徴とする加工装置である。

本発明によれば、研磨テーブルの回転速度とトップリングの回転速度を調整することにより、所定の測定時間内にセンサが被研磨物の表面の局所エリアに偏らず、ほぼ全面を均等に走査することができる。その結果、ノイズの影響を抑えて平均的な膜厚を捉えることが可能となり、精度のよい研磨終点検知および膜厚均一性を実現することができる。

図１は、本発明の一実施形態における研磨終点検知方法を行う研磨装置の全体構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す研磨状態監視装置においてパルス点灯光源を用いた場合の分光器ユニット内の受光素子の動作を示す模式図である。 図３は、図１に示す研磨状態監視装置において連続点灯光源を用いた場合の分光器ユニット内の受光素子の動作を示す模式図である。 図４は、図１に示す研磨状態監視装置のサンプリングのタイミングを説明するための平面図である。 図５は、金属配線上に酸化膜が形成されているサンプル基板を示す断面図である。 図６は、分光波形および基準分光波形を示すグラフである。 図７は、特性値の算出と波長の選択のプロセスを説明するためのフローダイヤグラムである。 図８は、特性値の時間変化を示すグラフである。 図９は、重み関数を示すグラフである。 図１０は、選択された２つの波長を長波長側に１０ｎｍ、短波長側に１０ｎｍシフトしたときの特徴点の変化を示す図である。 図１１は、本発明の他の実施形態に係る研磨装置の全体構成を示す模式図である。 図１２は、図１１に示すトップリングの断面を示す模式図である。 図１３は、研磨テーブルと基板との関係を示す平面図である。 図１４は、センサが基板上を走査する軌跡を示した図である。 図１５は、図１４に示す基板上の計測点のうちモニタリング装置によりモニタリングを行う計測点を選択する一例を示す平面図である。 図１６は、反射強度を示すグラフである。 図１７は、研磨テーブルの回転速度を７０min^−１、トップリングの回転速度を７１min^−１とした場合における基板Ｗ上のセンサ５０の軌跡を示す図である。 図１８は、図１７に示す条件下で得られた特性値の信号波形を示すグラフである。 図１９は、研磨テーブルの回転速度を７０min^−１、トップリングの回転速度を７７min^−１とし、移動平均時間内にセンサ５０が描く基板上の軌跡を示す図である。 図２０は、図１９に示す条件下で得られた特性値の信号波形を示すグラフである。 図２１は、図１９と同一の条件で研磨テーブルが１０回回転する間の基板上のセンサ軌跡を示す図である。 図２２は、研磨前後において、直径３００ｍｍの基板上に形成された銅の膜厚を周方向に測定した一例を示すグラフである。 図２３は、研磨テーブルの回転速度を６０min^−１、トップリングの回転速度を３１min^−１とした場合の基板面上のセンサ軌跡を表す図である。 図２４は、基板の径方向に分布する各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４で膜厚が均一になることを目標とし、研磨中にトップリングの４つの圧力室の圧力を操作した結果の一例を示すグラフである。 図２５は、研磨テーブルの回転速度を６０min^−１、トップリングの回転速度を３６min^−１に調節したときの基板面上のセンサ軌跡を示す図である。 図２６は、図２５に示す条件の下で研磨したときのトップリングの各圧力室の圧力の変化を示すグラフである。 図２７は、式（９）を満たすトップリングと研磨テーブルの回転速度比Ｒ／Ｖの例を示す表である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る研磨終点検知方法を行う研磨装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、上面に研磨布１０が貼設された研磨テーブル１２と、研磨対象物である基板Ｗを保持して研磨布１０の上面に押圧するトップリング１４とを備えている。研磨布１０の上面は、研磨対象物である基板Ｗと摺接する研磨面を構成している。なお、微細な砥粒（ＣｅＯ_２等からなる）を樹脂等のバインダで固めた固定砥粒板の上面を研磨面として構成することもできる。

研磨テーブル１２は、その下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、矢印で示すようにその軸心回りに回転可能になっている。また、研磨テーブル１２の上方には研磨液供給ノズル１６が設置されており、この研磨液供給ノズル１６から研磨布１０上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。

トップリング１４は、トップリングシャフト１８に連結されており、このトップリングシャフト１８を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これにより、トップリング１４は矢印で示すように昇降可能かつトップリングシャフト１８回りに回転可能となっている。このトップリング１４の下面には、研磨対象物である基板Ｗが真空等によって吸着、保持される。このような構成により、トップリング１４は自転しながら、その下面に保持した基板Ｗを研磨布１０に対して任意の圧力で押圧することができるようになっている。

上述の構成の研磨装置において、トップリング１４の下面に保持された基板Ｗは、回転している研磨テーブル１２の上面の研磨布１０に押圧される。このとき、研磨液供給ノズル１６から研磨布１０上に研磨液Ｑを供給する。これによって、基板Ｗの被研磨面（下面）と研磨布１０の間に研磨液Ｑが存在した状態でポリッシングが行われる。

研磨テーブル１２の内部には、研磨中に、基板Ｗの研磨状態を監視する研磨状態監視装置２０が埋設されている。この研磨状態監視装置２０は、研磨中の基板Ｗの被研磨面の研磨状況（残っている膜の厚みや状態など）をリアルタイムで連続的に監視するものである。また、研磨布１０には、研磨状態監視装置２０からの光を透過させるための透光部２２が取付けられている。この透光部２２は、透過率の高い材質で形成されており、例えば、無発泡ポリウレタンなどにより形成される。あるいは、研磨布１０に貫通孔を設け、この貫通孔が基板Ｗに塞がれる間下方から透明液を流すことにより、透光部２２を構成してもよい。透光部２２は、トップリング１４に保持された基板Ｗの被研磨面を通過する位置であれば、研磨テーブル１２の任意の位置に配置することができるが、基板Ｗの中心を通過する位置に配置することが好ましい。

研磨状態監視装置２０は、図１に示すように、光源３０と、光源３０からの光を基板Ｗの被研磨面に照射する発光部としての発光光ファイバ３２と、被研磨面からの反射光を受光する受光部としての受光光ファイバ３４と、受光光ファイバ３４により受光された光を分光する分光器とこの分光器により分光された光を電気的情報として変換し、蓄積する複数の受光素子とを内部に有する分光器ユニット３６と、光源３０の点灯及び消灯や分光器ユニット３６内の受光素子の読取開始のタイミングなどの制御を行う制御部４０と、制御部４０に電力を供給する電源４２とを備えている。なお、光源３０及び分光器ユニット３６には、制御部４０を介して電力が供給される。

発光光ファイバ３２の発光端と受光光ファイバ３４の受光端は、基板Ｗの被研磨面に対して略垂直になるように構成されている。また、発光光ファイバ３２及び受光光ファイバ３４は、研磨布１０を交換するときの作業性や受光光ファイバ３４による受光量を考慮して、研磨テーブル１２の表面よりも上方に突出しないように配置されている。また、分光器ユニット３６内の受光素子としては、例えば５１２素子のフォトダイオードアレイを用いることができる。

分光器ユニット３６は、ケーブル４４を介して制御部４０に接続されている。分光器ユニット３６内の受光素子からの情報は、ケーブル４４を介して制御部４０に送られ、この情報に基づいて反射光のスペクトルデータが生成される。すなわち、本実施形態における制御部４０は、受光素子に蓄積された電気的情報を読み取って反射光のスペクトルデータを生成するスペクトルデータ生成部を構成している。制御部４０からのケーブル４６は、研磨テーブル１２内を通り、例えばパーソナルコンピュータからなる演算部４８に接続されている。制御部４０のスペクトルデータ生成部で生成されたスペクトルデータは、ケーブル４６を介して演算部４８に送信される。

演算部４８では、制御部４０から受信したスペクトルデータに基づいて、被研磨面の研磨状態の指標となる特性値を算出する。また、演算部４８は、研磨装置を制御するコントローラ（図示せず）から研磨条件に関する情報を受信する機能や、算出された特性値の時間変化に基づいて研磨終点（研磨停止又は研磨条件の変更）のタイミングを決定して研磨装置のコントローラに指令を行う機能も有している。

また、図１に示すように、研磨テーブル１２の外周部の下面には近接センサ５０が取付けられており、この近接センサ５０に対応して研磨テーブル１２の外方にドグ５２が設置されている。近接センサ５０は、研磨テーブル１２が１回転するたびにドグ５２を検知し、研磨テーブル１２の回転角度を検知できるようになっている。

光源３０としては、白色光をはじめとする波長帯域を有する光を照射する光源を用いる。例えばキセノンランプなどのパルス点灯光源を光源３０として用いることができる。光源３０としてパルス点灯光源を用いた場合、研磨中に各計測点で光源３０がトリガ信号によりパルス点灯される。また、タングステンランプなどを光源３０として用い、少なくとも発光光ファイバ３２の発光端と受光光ファイバ３４の受光端とが基板Ｗの被研磨面に対向している間、連続して点灯させてもよい。

光源３０からの光は、発光光ファイバ３２の発光端から透光部２２を通って基板Ｗの被研磨面に照射される。この光は、基板Ｗの被研磨面で反射し、透光部２２を通って研磨状態監視装置の受光光ファイバ３４で受光される。受光光ファイバ３４で受光された光は、分光器ユニット３６内の分光器に送られ、ここで複数の波長成分に分光される。複数の波長成分に分光された光は、それぞれの波長に対応する受光素子に照射され、照射された光の光量に応じて受光素子に電荷が蓄積される。各受光素子に蓄積された電気的情報は、所定のタイミングで読み取られ（解放され）、ディジタル信号に変換される。このディジタル信号は、制御部４０のスペクトルデータ生成部に送られ、ここで各計測点に対応するスペクトルデータが生成される。

次に、分光器ユニット３６内の受光素子の動作について説明する。図２及び図３は、分光器ユニット３６内にＮ個の受光素子６０−１〜６０−Ｎがある場合の各受光素子の動作を示す模式図である。図２はパルス点灯光源を用いた場合、図３は連続点灯光源を用いた場合を示している。図２及び図３において、横軸は時間を示しており、各受光素子に対応するグラフの立ち上がり部分は受光素子に電気的情報が蓄積されたことを示し、落ち込み部分は受光素子の電気的情報が読み取られた（解放された）ことを示している。図２において、黒丸（●）はパルス点灯光源が点灯される時点を示している。

１回のサンプリングにおいて、各受光素子６０−１〜６０−Ｎは順次切り替えて読取（解放）が行われる。上述したように、各受光素子６０−１〜６０−Ｎには、対応する波長成分の光の光量が電気的情報として蓄積され、位相差を持ってサンプリング周期Ｔで読取（解放）が繰り返される。このサンプリング周期Ｔは、受光素子６０−１〜６０−Ｎに十分な光量が電気的情報として蓄積され、かつ、受光素子６０−１〜６０−Ｎから読み取られたデータを実時間で十分処理できる範囲内で、小さ目に設定する。受光素子として５１２素子のフォトダイオードアレイを用いる場合には、サンプリング周期Ｔは１０ミリ秒のオーダとなる。図２及び図３においては、１番目の受光素子６０−１の読取から最終の受光素子６０−Ｎの読取までの時間がＳとなっている。ここで、Ｓ＜Ｔである。図２の場合には、パルス点灯光源が点灯した時点（図２において●印で示す）をサンプリング時刻とし、図３の場合には、１番目の受光素子６０−１の読取が行われ、新たな蓄積が開始されてから、最終の受光素子６０−Ｎの読取が行われるまでの時間の半分の時点（図３において×印で示す）を、対応する計測領域を代表するサンプリング時刻とする。また、このサンプリング時刻において透光部２２に対向する基板Ｗ上の点をサンプリング点という。

図２においては、光源３０が瞬間的に点灯する間（数マイクロ秒程度）、すべての受光素子６０−１〜６０−Ｎが光を蓄積する。最終の受光素子６０−Ｎが読取（解放）を行ってから光源３０を点灯するまでの時間をＱとするとき、次に１番目の受光素子６０−１が読取（解放）を行う前に光源３０を点灯するものとすれば、０＜Ｑ＜Ｔ−Ｓとなる。Ｑはこの不等式に示される範囲にある任意の値をとることができるが、以下では、Ｑ＝（Ｔ−Ｓ）／２であるとして説明する。１番目の受光素子６０−１の読取が行われ次の蓄積が開始されるのは、サンプリング時刻より、Ｓ＋Ｑ、すなわち（Ｔ＋Ｓ）／２だけ早いタイミングである。また、図３においても、１番目の受光素子６０−１の読み取りが行われるのは、サンプリング時刻より、（Ｔ＋Ｓ）／２だけ早いタイミングである。なお、図３に示す連続点灯光源の場合には、受光素子６０−１〜６０−Ｎの蓄積開始・読取の時点が素子により異なっているため、波長成分によって実際の計測領域が若干異なっている。

次に、研磨状態監視装置２０によるサンプリングのタイミングを決定する方法について説明する。まず、パルス点灯光源を用いた場合のサンプリングのタイミングを決定する方法について説明する。図４は、研磨状態監視装置２０によるサンプリングのタイミングを説明するための図である。研磨テーブル１２が１回転するたびに、研磨テーブル１２の外周部に設けられた近接センサ５０が近接センサ作動の基準位置となるドグ５２を検知する。すなわち、図４に示すように、研磨テーブル１２の回転中心Ｃ_Ｔと基板Ｗの中心Ｃ_Ｗとを結ぶ線Ｌ_Ｔ−Ｗ（以下、基板中央線という）から研磨テーブル１２の反回転方向に回転角度を定義した場合に、回転角度θで近接センサ５０がドグ５２を検知する。なお、基板Ｗの中心Ｃ_Ｗは、例えばトップリング１４の位置制御を行うことによって特定される。

ここで、図４に示すように、研磨テーブル１２の中心Ｃ_Ｔと透光部２２の中心Ｃ_Ｌとの間の水平距離をＬ、研磨テーブル１２の中心Ｃ_Ｔと基板Ｗの中心Ｃ_Ｗとの間の水平距離をＭ、基板Ｗの被研磨面からエッジカット部を除いた基板Ｗの被計測面の半径をＲ、透光部２２がこの被計測面を走査する角度を２αとすると、余弦定理から以下の式（１）が成立し、角度αを求めることができる。

本実施形態では、透光部２２が通過する基板中央線ＬＴ−Ｗ上の点Ｐを必ずサンプリング点とするように、サンプリングのタイミングを調整している。基板中央線Ｌ_Ｔ−Ｗから片側にあるサンプリング点の数をｎ（整数）とすると、透光部２２が基板Ｗの被計測面を走査する間の全サンプリング点の数は、基板中央線Ｌ_Ｔ−Ｗ上のサンプリング点Ｐを含めて２ｎ＋１となる。

基板Ｗの外側にはトップリング１４の外周部が背景光を遮るように配置されているとすれば、最初のサンプリング時刻において透光部２２が基板Ｗの被計測面内に存在するための条件は、ω_Ｔを研磨テーブル１２の角速度として、以下の不等式（２）で表わすことができる。したがって、この不等式（２）から、この条件を満たす整数ｎを求めることができる。

ここで、透光部２２と近接センサ５０とが研磨テーブル１２の中心Ｃ_Ｔに対して同一角度に位置しているものとすれば、研磨テーブル１２が１回転するときに、近接センサ５０がドグ５２を検知してから１回目のサンプリングにおける１番目の受光素子６０−１の蓄積が開始されるまでの時間ｔ_Ｓ、すなわちサンプリング開始時刻ｔ_Ｓは、以下の式（３）により求めることができる。

ここで、透光部２２が基板Ｗの被研磨面の外側にある間に受光素子に蓄積された光量を確実にクリアするために、１回目のサンプリングを読み捨てることとしてもよい。この場合のサンプリング開始時刻ｔＳは、以下の式（４）により求めることができる。

研磨状態監視装置２０は、このようにして求められたサンプリング開始時刻ｔ_Ｓに基づいてサンプリングを開始する。すなわち、制御部４０は、近接センサ５０がドグ５２を検知してからｔ_Ｓ経過後に光源３０のパルス点灯を開始し、その後サンプリング周期Ｔごとにサンプリングを繰り返すように、分光器ユニット３６内の受光素子の動作タイミングを制御する。これにより、各サンプリング点における反射スペクトルデータが制御部４０のスペクトルデータ生成部により生成され、これが演算部４８に送られる。演算部４８では、このスペクトルデータに基づいて基板Ｗの被研磨面に対する特性値が求められる。

本実施形態では、透光部２２が通過する基板中央線Ｌ_Ｔ−Ｗ上の点Ｐを必ずサンプリング点とするようにしているので、研磨テーブル１２が１回転するたびに研磨対象物表面上の所定の半径位置の特性値を繰り返し測定することができる。また、サンプリング周期を一定とすれば、研磨対象物の表面上において、研磨テーブル１２の回転ごとの各測定点の半径位置は一定となる。したがって、不特定の位置の特性値を測定する場合に比べて、基板Ｗ上の残膜の状況を把握する上でより効果的である。特に、透光部２２が基板Ｗの中心Ｃ_Ｗを通るように構成されている場合には、研磨テーブル１２が１回転するたびに基板Ｗの中心Ｃ_Ｗを定点として必ず測定することになり、基板Ｗ上の残膜状況の時間変化をより正確に把握することができる。

一方、連続点灯光源の場合は、上述したように、受光素子の蓄積が連続して行われ、かつ受光素子によって開始時点が異なるため、ｎの求め方がパルス点灯光源の場合と異なっている。すなわち、１番目の受光素子６０−１の蓄積開始の時点で、透光部２２が基板Ｗの被計測面内に存在する必要がある。したがって、ｎに関する不等式は以下のようになる。

この不等式（５）から、ｎ（整数）を求め、上記式（３）又は式（４）に基づいてサンプリング開始時刻ｔ_Ｓを求めることができる。そして、研磨状態監視装置２０は、パルス点灯光源の場合と同様に、求められたサンプリング開始時刻ｔ_Ｓに基づいてサンプリングを開始し、各サンプリング点におけるスペクトルデータから基板Ｗの被研磨面に対する特性値を求める。なお、上述の例では、パルス点灯光源の点灯のタイミングや透光部２２と近接センサ５０との位置関係に一定の条件を設定して説明したが、これらの条件を外しても同様にｎとｔ_Ｓを求めることができる。

次に、各サンプリング点におけるスペクトルデータから研磨終点を検知する方法について説明する。図５は、金属配線上に形成された酸化膜を有する基板（基準被研磨物）を示す断面図である。この例では金属配線７０上の酸化膜８０を約８００ｎｍ（１０４秒）研磨したときの反射強度をサンプルデータとして取得する。図５において、目標研磨終点は９４秒時点であり、この時点における分光波形が図６中の符号１００で表されている。符号１００ａおよび１００ｂは、９４秒時点とは異なる他の研磨時点における分光波形を表している。分光波形１００，１００ａ，１００ｂの形状の差異は、研磨時間の差異（すなわち、膜厚の差異）を示している。しかしながら、デバイスパターンや下地膜の材質などの影響で、分光波形の基本形状が大きく歪んでいるため、膜厚変化による反射強度変化の特徴を明確に認めることが困難であることが分かる。

そこで、分光波形の基本形状の歪みを排除するために、研磨時間内における各波長の反射強度の平均値で、基準被研磨物の目標膜厚（研磨終点）における分光波形１００を割り算した基準分光波形を作成する。すなわち、研磨時間内（この例では、０〜１０４秒）における平均反射強度を波長ごとに求め、分光波形１００で示される反射強度を、各波長に対応する平均反射強度で割ることにより、基準分光波形を求める。図６において、右側の縦軸は基準分光波形の大きさを表し、基準分光波形２００，２００ａ，２００ｂは、それぞれ分光波形１００，１００ａ，１００ｂに対応する。図６から分かるように、基準化前の分光波形と比較すると、膜厚の違いによる基準分光波形の形状の差異が明確になり、極大点および極小点もはっきり現れている。そこで、目標膜厚における基準分光波形２００に基づいて、極大値および極小値となる波長を選択し、これらの波長における反射強度の組合せから、膜厚の指標となる特性値を算出する。なお、本実施形態では、各波長において反射強度を平均反射強度で割ったが、各波長において反射強度から平均反射強度を差し引いても同様の結果が得られる。また、分光波形が歪んでいない場合は、基準分光波形を求めずに分光波形から極大極小点を決めてもよい。

ここで、特性値の算出と波長の選択について、図７のフローダイヤグラムを参照して説明する。まず、図５に示す、パターン配線を有する基板（基準被研磨物）を目標膜厚になるまで研磨し、膜厚を測定する。次に、研磨された基板の基準分光波形から、極大値および極小値となる２つの波長を選択する。そして、選択された２つの波長における反射強度から特性値を求める。必要に応じて、選択すべき波長を長波長側または短波長側にシフトして特性値を微調整してもよい（この点については後述する）。次に、基準被研磨物と同一の構成を有する基板を研磨し、膜厚が目標膜厚となったときに上記特性値が特徴点を示すか否か、すなわち、上記特性値の時間変化を監視することで目標膜厚が検出できるか否かを確認する。目標膜厚が検出できる場合は、上記特徴点を研磨終点として設定し、上記特徴点は他の基板の研磨終点検知に用いられる。これらの処理は演算部４８によって行われる。

特性値を求めるプロセスについて、具体例を挙げて説明する。図６に示すように、基準分光波形２００の極大値となる波長５４０ｎｍおよび極小値となる波長５７６ｎｍを選択し、特性値Ｘ（ｔ）を次の式から求める。
Ｘ(ｔ)＝ρ_５４０(ｔ)／(ρ_５４０(ｔ)＋ρ_５７６(ｔ)) ・・・（６）
ここで、ρは反射強度、ｔは研磨時間を表す。

当該特性値を、次に研磨される基板、または任意の枚数目後の基板の研磨時に適用する。
なお、ここでは基準被研磨物の基準分光波形から特性値を算出するプロセスを説明したが、別の実施例として、基準被研磨物の研磨時間内における各波長の反射強度の平均値を、次に、または任意の枚数目後に研磨する基板の研磨時に適用してもよい。すなわち、現在研磨中の基板から得られる分光波形の反射強度を、基準被研磨物の各波長の反射強度の平均値で割って基準分光波形を取得し、この基準分光波形を上述のようにモニタリングすることにより研磨終点を検知してもよい。前述したように、基準分光波形は形状の差異が明確であることから、精度の高い研磨終点検知が可能となる。

図８は、上記式（６）から求められた特性値の時間変化を示すグラフである。意図した通り、９４秒時点に特性値の極大値が現れていることが図８から分かる。したがって、この極大値が現れる特徴点を研磨終点として予め設定しておき、この特徴点を検知したときに研磨を終了させる。なお、特徴点を検知した後、所定時間オーバーポリッシュしてもよい。ここで、図８に示すように、初期の２０秒間は、研磨初期における段差解消の途上にあるため、特性値にノイズが多く、細かな極値が存在する。そこで、研磨終点検知シーケンスとして、例えば、研磨開始後２５秒から特性値のモニタリングを開始し、この例でいうと、５番目の極大値を研磨終点とするような手順にすればよい。

特性値を求める極値波長として、最大極大値および最小極小値となる波長を選択した場合、特性値の変化幅が大きくなり、ＳＮ比もよいことが多い。しかし、デバイス構造によっては、最大極大値および最小極小値となる波長の選択が最良とも限らない場合がある。そこで、複数の極値波長からいくつかの組合せを選択し、それぞれの組合せで特性値の波形を見て、目標膜厚で特徴点が明確に現れるような極値波長を選択することが好ましい。上記例では、２つの極値波長を抽出して特性値を求めたが、特性値は得られたｎ個の極値波長のうち、任意の個数を抽出して組合せてもよい。例えば、ρk／ρi、（ρj＋・・・＋ρj+q）／（ρi＋・・・＋ρi+p）などである。

上記例では、選択された極値波長における反射強度の時間変化に基づいて特性値を求める例について説明してきたが、特開２００４−１５４９２８号公報（特願２００３−３２１６３９）に開示されているように、極値波長を中心とした重みを有する重み関数を分光波形に乗じて特性値を求めてもよい。重み関数の形状としては、例えば正規分布などを用いることができる。このような重み関数を利用する方法について、以下に説明する。

まず、研磨終点における基準分光波形２００に基づき、極大値を示す波長λ＝５４０ｎｍを選択する。次に、図９に示すように、この波長を中心に重みを持つ重み関数ｗ（λ）を定義する。そして、被研磨面からの反射光の反射強度の測定値ρ（λ）に重み関数ｗ（λ）を乗じて積算したもの、すなわち、積分してスカラー値としたものを特性値Ｘとする。すなわち、特性値Ｘを以下の式（７）により定義する。

この場合において、複数の重み関数ｗｉ（λ）（ｉ＝１，２，…）を定義して、例えば、以下の式（８）により特性値Ｘｉを定義してもよい。

このような方法によれば、膜厚が目標の厚さとなったとき、すなわち研磨終点のときに、特性値は極大値あるいは極小値などの特徴的な変化点（特徴点）を示す。したがって、研磨中に特性値を監視し、この特性値の時間変化の特徴点を検知することで、研磨終点（研磨停止又は研磨条件の変更）を検知することができる。また、この方法によれば、ある波長において反射強度の測定値に外乱が入ったとしても、積分演算を行っているため、目標膜厚における反射強度を直接監視する場合に比べて、その影響を軽減できる。

本実施形態における研磨終点検知方法は、上述した特開２００４−１５４９２８号公報に開示されている方法に比べて、次のような利点がある。すなわち、特開２００４−１５４９２８号公報の方法では、目標膜厚（研磨終点）において特性値が特徴的な変化を示すような重み関数を抽出するのは試行錯誤の繰り返しであり、多大な時間が必要とされる。また、重み関数によってはＳＮ比（信号／ノイズ比）が悪く、安定した研磨終点が検知できない場合もある。さらに、研磨される膜質、膜厚が同じであっても、デバイスパターンの違い、下地膜の種類、デバイス構造の違いが反射光の分光波形に影響を与えてしまうため、異なる種類の基板ごとに最適な重み関数を定義する必要があり、結果として生産性を低下させてしまう。本実施形態によれば、反射強度を平均反射強度で割ることにより、特徴的な極値を有する基準分光波形を得ることができるので、最適な重み関数を容易に得ることができる。

ここで、デバイスパターンに起因するノイズレベルが大きいと、基準化前の分光波形はもちろん、基準化された分光波形を用いて求められた特性値の特徴点が目標残膜厚（目標研磨終了時間）からずれる場合がある。このようなときは、特性値を計算するときに選択した分光波形の極値波長をシフトすることで、特性値の極値時間を前後に移動させることができる。したがって、研磨終点において特徴点を示す最適な波長を選択し直せばよい。なお、選択された２つの波長を長波長側にシフトすれば特性値の特徴点が現れる時間は研磨時間の短い方（膜厚の大きい方）に移動し、短波長側にずらせば、研磨時間の長い方（膜厚の小さい方）に移動することが分かっている。図１０は、選択された２つの波長を長波長側に１０ｎｍ、短波長側に１０ｎｍシフトしたときの特徴点の変化を示している。このような方法で略研磨終点となる波長が求められれば、選択波長の微調整により特性値の特徴点を研磨終点に合わせることは簡単である。

基準化前の分光波形から膜厚変化による反射強度の変化に特徴点が捉えられる場合は、基準化前の分光波形の極値となる波長から特性値を求めてもよい。また、デバイスの構造が単純であり、シミュレーション計算により所定膜厚の分光波形を実用上問題のない精度で得ることができる場合には、シミュレーション計算から得られた分光波形を用いてもよい。

以上述べたように、本実施形態によれば、研磨終点において特徴的な変化点を持ち、かつ、基板のデバイスパターンに応じたＳＮ比のよい特性値を求めることができるので、精度よく研磨終点を検知することが可能となる。なお、本実施形態は、研磨方法及び研磨装置のみならず、膜を目標膜厚までエッチングする方法及び装置や、膜を目標膜厚になるまで形成する方法及び装置にも適用することができる。

次に、本発明の他の実施形態について詳細に説明する。
図１１は、本発明の他の実施形態に係る研磨装置の全体構成を示す模式図である。図１１に示すように、研磨装置は、上面に研磨パッド１１０が貼設された研磨テーブル１１２と、研磨対象物である基板を保持して研磨パッド１１０の上面に押圧するトップリング１１４とを備えている。研磨パッド１１０の上面は、研磨対象物である基板と摺接する研磨面を構成している。

研磨テーブル１１２は、その下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、矢印で示すようにその軸心周りに回転可能になっている。また、研磨テーブル１１２の上方には図示しない研磨液供給ノズルが設置されており、この研磨液供給ノズルから研磨パッド１１０上に研磨液が供給されるようになっている。

トップリング１１４は、トップリングシャフト１１８に連結されており、このトップリングシャフト１１８を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これにより、トップリング１１４は昇降可能かつトップリングシャフト１１８周りに回転可能となっている。このトップリング１１４の下面には、研磨対象物である基板が真空等によって吸着、保持される。

上述の構成において、トップリング１１４の下面に保持された基板は、回転している研磨テーブル１１２の上面の研磨パッド１１０に押圧される。このとき、研磨液供給ノズルから研磨パッド１１０上に研磨液が供給され、基板の被研磨面（下面）と研磨パッド１１０の間に研磨液が存在した状態で基板が研磨される。

図１２は図１１に示すトップリングの断面を示す模式図である。図１２に示すように、トップリング１１４は、トップリングシャフト１１８の下端に自在継手部１３０を介して連結される略円盤状のトップリング本体１３１と、トップリング本体１３１の下部に配置されたリテーナリング１３２とを備えている。トップリング本体１３１は金属やセラミックス等の強度および剛性が高い材料から形成されている。また、リテーナリング１３２は、剛性の高い樹脂材またはセラミックス等から形成されている。なお、リテーナリング１３２をトップリング本体１３１と一体的に形成することとしてもよい。

トップリング本体１３１およびリテーナリング１３２の内側に形成された空間内には、基板Ｗに当接する弾性パッド１３３と、弾性膜からなる環状の加圧シート３４と、弾性パッド１３３を保持する概略円盤状のチャッキングプレート１３５とが収容されている。弾性パッド１３３の上周端部はチャッキングプレート１３５に保持され、弾性パッド１３３とチャッキングプレート１３５との間には、４つの圧力室（エアバッグ）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が設けられている。これらの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４にはそれぞれ流体路１３７，１３８，１３９，１４０を介して加圧空気等の加圧流体が供給され、あるいは真空引きがされるようになっている。中央の圧力室Ｐ１は円形であり、他の圧力室Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は環状である。これらの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、同心上に配列されている。

圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力は図示しない圧力調整部により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４つの領域、すなわち、中央部Ｃ１、内側中間部Ｃ２、外側中間部Ｃ３、および周縁部Ｃ４に対する押圧力を概ね独立に調整することができる（正確には、隣り合う領域など他の領域に対する圧力室の影響を多少なりとも受ける）。また、トップリング１１４の全体を昇降させることにより、リテーナリング１３２を所定の押圧力で研磨パッド１１０に押圧できるようになっている。チャッキングプレート１３５とトップリング本体１３１との間には圧力室Ｐ５が形成され、この圧力室Ｐ５には流体路１４１を介して加圧流体が供給され、あるいは真空引きがされるようになっている。これにより、チャッキングプレート１３５および弾性パッド１３３全体が上下方向に動くことができる。なお、基板Ｗの周縁部にはリテーナリング１３２が設けられ、研磨中に基板Ｗがトップリング１１４から飛び出さないようになっている。

図１１に示すように、研磨テーブル１１２の内部には、基板Ｗの膜の状態を監視（検知）するセンサ１５０が埋設されている。このセンサ１５０はモニタリング装置１５３に接続され、このモニタリング装置１５３はＣＭＰコントローラ１５４に接続されている。上記センサ１５０としては光学式センサや渦電流センサを用いることができる。センサ１５０の出力信号はモニタリング装置１５３に送られ、このモニタリング装置１５３で、センサ１５０の出力信号（センシング信号）に対して必要な変換・処理（演算処理）を施してモニタリング信号が生成される。このモニタリング信号（およびセンサ信号）の値は膜厚自体を示すものではないが、モニタリング信号の値は膜厚に応じて変化する。

モニタリング装置１５３は、モニタリング信号に基づいて各圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力を操作する制御部として、および研磨終点を検知する終点検知部としても機能する。すなわち、モニタリング装置１５３では、モニタリング信号に基づいてトップリング１１４が基板Ｗを押圧する力が決定され、この押圧力がＣＭＰコントローラ１５４に送信される。ＣＭＰコントローラ１５４は、トップリング１１４の基板Ｗに対する押圧力を変更するように図示しない圧力調整部に指令を出す。なお、モニタリング装置１５３と制御部とを別々の装置としてもよく、モニタリング装置１５３とＣＭＰコントローラ１５４とを一体化して１つの制御装置としてもよい。

図１３は、研磨テーブル１１２と基板Ｗとの関係を示す平面図である。図１３に示すように、センサ１５０は、トップリング１１４に保持された研磨中の基板Ｗの中心Ｃ_ｗを通過する位置に設置されている。符号ＣＴは研磨テーブル１１２の回転中心である。例えば、センサ１５０は、基板Ｗの下方を通過している間、通過軌跡（走査線）上で連続的に基板ＷのＣｕ層等の導電性膜の膜厚あるいは膜厚の変化に応じて増加又は減少する量を検出できるようになっている。

図１４は、センサ１５０が基板Ｗ上を走査する軌跡を示したものである。すなわち、センサ１５０は、研磨テーブル１１２が１回転するごとに基板Ｗの表面（被研磨面）を走査するが、研磨テーブル１１２が回転すると、センサ１５０は概ね基板Ｗの中心Ｃ_ｗ（トップリングシャフト１１８の中心）を通る軌跡を描いて基板Ｗの被研磨面上を走査することになる。トップリング１１４の回転速度と研磨テーブル１１２の回転速度とは通常異なっているため、基板Ｗの表面におけるセンサ１５０の軌跡は、図１４に示すように、研磨テーブル１１２の回転に伴って走査線ＳＬ_１，ＳＬ_２，ＳＬ_３，…と変化する。この場合でも、上述したように、センサ１５０は、基板Ｗの中心Ｃ_ｗを通る位置に配置されているので、センサ１５０が描く軌跡は、毎回基板Ｗの中心Ｃ_ｗを通過する。そして、本実施形態では、センサ１５０による計測のタイミングを調整して、センサ１５０によって基板Ｗの中心Ｃ_ｗを毎回必ず計測するようにしている。

また、基板Ｗの研磨速度のプロファイルは、基板Ｗの中心Ｃ_ｗを通り表面に垂直な軸に関して概ね軸対象になることが知られている。したがって、図１４に示すように、ｍ番目の走査線ＳＬ_ｍ上のｎ番目の計測点をＭＰ_ｍ−ｎと表すとき、各走査線におけるｎ番目の計測点ＭＰ_１−ｎ，ＭＰ_２−ｎ，・・・，ＭＰ_ｍ−ｎに対するモニタリング信号を追跡することにより、ｎ番目の計測点の半径位置における基板Ｗの膜厚の推移をモニタリングすることができる。

なお、図１４においては、簡略化のため、１回の走査における計測点の数を１５としている。しかしながら、計測点の個数はこれに限られるものではなく、計測の周期および研磨テーブル１１２の回転速度に応じて種々の値にすることができる。センサ１５０として渦電流センサを用いる場合には、通常、１つの走査線上に１００個以上の計測点がある。このように計測点を多くすると、いずれかの計測点が基板Ｗの中心Ｃ_ｗに概ね一致するので、上述した基板Ｗの中心Ｃ_ｗに対する計測タイミングの調整を行わなくてもよい。

図１５は、図１４に示す基板Ｗ上の計測点のうちモニタリング装置１５３によりモニタリングを行う計測点を選択する一例を示す平面図である。図１５に示す例では、押圧力が独立して操作される各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の中心近傍と境界線近傍に対応する位置の計測点ＭＰ_ｍ−１，ＭＰ_ｍ−２，ＭＰ_ｍ−３，ＭＰ_ｍ−４，ＭＰ_ｍ−５，ＭＰ_ｍ−６，ＭＰ_ｍ−８，ＭＰ_ｍ−１０，ＭＰ_ｍ−１１，ＭＰ_ｍ−１２，ＭＰ_ｍ−１３，ＭＰ_ｍ−１４，ＭＰ_ｍ−１５のモニタリングを行っている。ここで、図１４に示した例とは異なり、計測点ＭＰ_ｍ−ｉとＭＰ_{ｍ−（ｉ＋１）}との間に別の計測点があってもよい。なお、モニタリングする計測点の選択は、図１５に示す例に限られず、基板Ｗの被研磨面上において制御上着目すべき点をモニタリングすべき計測点として選択することができ、走査線上の全計測点を選択することも可能である。

モニタリング装置１５３は、選択した計測点におけるセンサ１５０の出力信号（センシング信号）に所定の演算処理を行い、モニタリング信号を生成する。さらに、モニタリング装置１５３は、生成されたモニタリング信号と後述する基準信号とに基づいて、基板Ｗの各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に対応する、トップリング１１４内の圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の圧力をそれぞれ算出する。すなわち、モニタリング装置１５３は、上述のようにして選択された計測点について取得されたモニタリング信号を、予め設定された基準信号と比較し、各モニタリング信号が基準信号に収束するための圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の最適な圧力値を算出する。そして、算出された圧力値はモニタリング装置１５３からＣＭＰコントローラ１５４に送信され、ＣＭＰコントローラ１５４は圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の圧力を変更する。このようにして、基板Ｗの各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に対する押圧力が調整される。

ここで、ノイズの影響を排除してデータを平滑化するために、近傍の計測点についてのモニタリング信号を平均化したものを使用してもよい。あるいは、基板Ｗの表面を中心Ｃ_Ｗからの半径に応じて同心円状に複数の領域に分割し、各領域内の計測点に対するモニタリング信号の平均値または代表値を求めて、この平均値または代表値を制御用の新たなモニタリング信号として用いてもよい。ここで、研磨中の各時点において各計測点のＣ_Ｗからの距離を求めてどの領域に属するかを判断するようにすれば、センサが研磨テーブル１１２の半径方向に複数個並んで配置された場合や、研磨中にトップリング１１４がトップリングヘッドシャフト１１８を中心として揺動する場合にも効果的に対応することができる。

次に、センサ１５０として光学式センサを用いた場合において、各計測点において得られた反射強度から研磨終点を検知する方法について特開２００４−１５４９２８号公報の記載に基づいて説明する。
被研磨膜が酸化膜のような透光性の薄膜である場合、厚みが均一で、外乱のない理想的な状態を考えると、被研磨膜による干渉のため、各波長の相対反射率の時間変化は概ね図１６に示すようになる。被研磨膜の屈折率をｎ、膜厚をｄ、光の波長(真空中)をλとするとき、時間変化１周期分に相当する膜厚差はΔｄ＝λ／２ｎである。したがって、膜厚が研磨時間に伴い直線的に減少すると、相対反射率は図１６に示すように極大値及び極小値が周期的に現れた時間変化をする。ここで、実線は波長λ＝５００ｎｍの場合を示し、破線はλ＝７００ｎｍの場合を示す。

スペクトルデータの波長成分に重み係数を乗じる乗算を含む演算により求められる特性値に関しても、研磨時間、すなわち膜厚の減少に応じて、同様に値が増減を繰り返す。また、パターン膜の場合にも、波形にノイズや歪みが現れることはあるが、同様に特性値は増減する。

モニタリングにおいては、このようにして得られる特性値時間変化の極大値及び／又は極小値を検出して、研磨進捗状況を表わす。予め、極値検出時点で研磨を停止してリファレンスとして膜厚測定を行っておけば、研磨進捗状況を被研磨膜の膜厚と関連付けることが出来る。

研磨終点（研磨停止点又は研磨条件変更点）の検出においては、所望の膜厚の直前の極値（特徴点の一つ）を検出して、極値に対する膜厚と所望の膜厚との差分に相当する時間だけ、オーバーポリッシュする。

なお、センサ１５０が基板Ｗの表面を１回走査するごとに、各計測点において測定された反射強度を平均化し、平均化された値から上述の特性値を算出してもよい。反射強度データに上述した一連の処理を施して特性値を計算する場合は、反射強度データの処理の適当な段階で移動平均処理を行うことが好ましい。例えば、得られた反射強度データを移動平均処理してから一連の処理を施して特性値を求めてもよく、あるいは、算出された特性値に移動平均処理してもよい。なお、移動平均処理とは、ある所定の時間区間を移動させつつこの時間区間（移動平均時間）内で得られた時系列データを平均化する処理をいう。

次に、センサ１５０が基板の表面を走査するときの軌跡（走査線）について説明する。
研磨テーブルの回転速度とトップリングの回転速度が同一である場合、基板上のあらゆる点で相対速度が同一となり、かつ研磨テーブルに設けられたセンサは毎回基板の同一場所を走査することが理論的に分かっている。しかし、現実として厳密に研磨テーブルとトップリングの回転速度を同一にすることができないことと、同一の回転速度とすると、研磨テーブルとトップリングが同期し、研磨パッド上の溝などの影響で局部的に過小研磨される場合がある。このため、研磨テーブルの回転速度とトップリングの回転速度を意図的にわずかに変えることが多い。

図１７は研磨テーブル１１２の回転速度を７０min^−１、トップリング１１４の回転速度を７１min^−１とした場合における基板Ｗ上のセンサ１５０の軌跡を示す図である。
この条件では、例えば、移動平均時間を５秒とすると、その間にセンサ１５０は基板Ｗ上を６回走査することができ、研磨テーブル１１２が１回転するごとにセンサ軌跡が５.１４度しか回転しない。その結果、図１７に示すように基板Ｗ上の偏った部分の情報しか得られず、本来の膜厚変化に応じた反射強度の変化が正確に把握できない。

図１８は図１７に示す条件下で得られた特性値の信号波形を示すグラフである。一般に、反射強度から求められる特性値は、光の干渉により膜厚変化に応じてサイン曲線状に変化する。しかしながら、研磨テーブル１１２の回転速度を７０min^−１、トップリング１１４の回転速度を７１min^−１、移動平均時間を５秒（移動平均点数で６点）とした場合、図１８に示すように、特性値の信号波形の上にランダムなノイズが現れていることが分かる。上述したように、通常、特性値の極大値または極小値を検知して研磨終点とするが、ノイズのため極値をはっきり捉えることができず、あるいは極値を示す時間が本来の研磨終点時間からずれたりして正確な研磨終点検知ができない。

そこで、本発明では、所定の時間内（例えば、移動平均時間内）にセンサ１５０が基板Ｗ上に描く軌跡が基板Ｗの表面の全周にわたってほぼ均等に分布するようにトップリング１１４と研磨テーブル１１２の回転速度比を調整する。図１９は、研磨テーブル１１２の回転速度を７０min^−１、トップリング１１４の回転速度を７７min^−１として、移動平均時間（この例では５秒）内にセンサ１５０が描く基板上の軌跡を示す図である。図１９に示すように、この条件下では、研磨テーブル１１２が１回転するごとにセンサ１５０の軌跡が３６度回転するので、５回走査するごとにセンサ軌跡が基板Ｗ上を半周だけ回転することになる。センサ軌跡の湾曲も考慮すると、移動平均時間内にセンサ１５０が基板Ｗを６回走査することにより、センサ１５０は基板Ｗ上をほぼ均等に全面スキャンすることになり、パターン密度や構造の異なるエリアの影響が移動平均時間ごとにほぼ同じ程度になることが期待される。

図２０は図１９に示す条件下で得られた特性値の信号波形を示すグラフである。図２０から分かるように、図１８に比べて特性値の信号波形上のノイズが少ない。さらに、移動平均時間を倍の１０秒にするか、研磨テーブル１１２の回転速度７０min^−１、トップリング１１４の回転速度８４min^−１にすれば、移動平均時間内にセンサ軌跡が約１周回転することになるので、研磨終点検知の精度をさらに向上させることができる。

一般に、時系列データに移動平均処理を施すと、処理後のデータは実際のデータに対して移動平均時間の約半分の時間だけ遅れて取得されることになる。また、トップリング１１４と研磨テーブル１１２の回転速度比を大きく変えると、基板Ｗ上におけるトップリング１１４と研磨テーブル１１２の相対速度の分布が変化し、これにより基板Ｗの膜厚プロファイルが変化することが知られている。したがって、ＣＭＰプロセスに応じた遅れ時間の許容範囲、および膜厚プロファイルの変化の程度を考慮して、移動平均時間、研磨テーブル１１２の回転速度、トップリング１１４の回転速度を決める必要がある。通常、トップリング１１４と研磨テーブル１１２の回転速度比の少しの変化は研磨プロファイルにほとんど影響を与えないので、トップリング１１４と研磨テーブル１１２の回転速度比の調整だけでセンサ１５０に基板Ｗの表面を略均等に走査させることは容易である。

上述した例では、トップリング１１４の回転速度が研磨テーブル１１２の回転速度よりも速い場合を示したが、トップリング１１４の回転速度が研磨テーブル１１２の回転速度よりも遅い場合（例えば、研磨テーブル１１２の回転速度が７０min^−１、トップリング１１４の回転速度が６３min^−１）も、センサ軌跡が逆方向に回転するだけであり、所定の時間内にセンサ１５０が基板Ｗの表面に描く軌跡を基板Ｗの表面の全周にわたって分布させる点では上述の例と同じである。

また、上述の例では、トップリング１１４と研磨テーブル１１２の回転速度比が１に近い場合を述べたが、回転速度比が０.５や１.５、２など（０.５の倍数）に近い場合も同様である。即ち、トップリング１１４と研磨テーブル１１２の回転速度比が０.５の場合、研磨テーブル１１２が１回転するごとにセンサ軌跡が１８０度回転し、基板Ｗから見ればセンサ１５０が一回転ごとに逆方向から同一軌跡上を移動することになる。

そこで、トップリング１１４と研磨テーブル１１２の回転速度比を０.５から少しずらして（例えば、トップリング１１４の回転速度を３６min^−１、研磨テーブル１１２の回転速度を７０min^−１とする）、研磨テーブル１１２が１回転するごとにセンサ軌跡が（１８０＋α）度回転するようにすれば、センサ軌跡が見かけ上α度ずれるようにできる。したがって、移動平均時間内にセンサ軌跡が基板Ｗの表面上を約０.５回、または約Ｎ回、または約０.５＋Ｎ回（言い換えれば、０.５の倍数、すなわち０.５×Ｎ回（Ｎは自然数））だけ回転するようにαを設定（即ち、トップリング１１４と研磨テーブル１１２の回転速度比を設定）すればよい。

移動平均時間内にセンサ１５０が基板Ｗの表面に描く軌跡が全周にわたって略均等に分布するようにすることは、移動平均時間の調整も考慮すると広い範囲において回転速度比の選択を可能とする。したがって、研磨液（スラリ）の特性などによりトップリング１１４と研磨テーブル１１２の回転速度比を大きく変える必要がある研磨プロセスにも対応できる。

ところで、一般に、トップリング１１４の回転速度が研磨テーブル１１２の回転速度の丁度半分である場合を除いて、センサ１５０が基板Ｗ上に描く軌跡は図１９のように湾曲する。したがって、所定の時間内（例えば移動平均時間内）にセンサ１５０が基板Ｗ上に描く軌跡が基板Ｗの全周にわたって分布したとしても、センサ軌跡が必ずしも厳密な意味で周方向に均等に分布する訳ではない。センサ軌跡を基板Ｗの周方向に厳密に均等に分布させるには、所定時間毎にセンサ軌跡が基板Ｗの周上をちょうどＮ回（Ｎは自然数）だけ回転するようにする必要がある。この間に、センサ１５０は、基板Ｗの表面を全周にわたり周方向に均等な方向・向きに走査する。これを実現するためには、例えば研磨テーブル１１２が所定の回数（自然数）だけ回転する間に、トップリング１１４がちょうど研磨テーブル１１２の回転回数とは異なる回数（自然数）だけ回転するように、研磨テーブル１１２とトップリング１１４の回転速度を定めればよい。この場合においても、上述のようにセンサ軌跡は湾曲するため、センサ軌跡が周方向に等間隔に分布するとはいえないが、センサ軌跡を２本ずつ対にして考えれば、センサ軌跡は任意の半径位置において周方向に均等に分布しているものと見なすことができる。図２１はこれを示す例であり、図１９と同一の条件で研磨テーブル１１２が１０回回転する間の基板Ｗ上のセンサ軌跡を示した図である。以上より、センサ１５０は、上述の例に比べて基板Ｗの全面の様々な構造をより平均的に反映したデータを取得することができる。

このような考え方を具体化した例として、次に、被研磨物が銅膜であり、センサ１５０として渦電流センサを用いた場合の実施形態について説明する。本実施形態では、センサ１５０を用いて基板の表面状態をモニタリングし、基板径方向の膜厚が均一になるよう、研磨面に対する基板の押圧分布を調整するリアルタイム制御が行われる。なお、上述した光学式センサを用いた実施形態では、１回の走査で得られた全データを平均化して処理することができるが、本実施形態では、そのような平均化処理を行わない。すなわち、センサ１５０が基板Ｗの表面を走査する間に得られる膜厚を表すデータは、基板Ｗの径方向に分布する各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４（図１５参照）に対応して割り当てられ、各領域でのデータを用いてその領域に対応する圧力室の圧力が決定される。この場合、研磨テーブル１１２が回転するに従って得られるデータを領域ごとに移動平均処理してもよい。

図２２は、研磨前後において、直径３００ｍｍの基板上に形成された銅の膜厚を周方向に測定した一例を示すグラフである。図２２から分かるように、基板の中間部（半径ｒ＝１１６ｍｍ）においては、膜厚は概ね均一であるが、基板の周縁部（ｒ＝１４６ｍｍ）においては周方向に無視できないレベルの膜厚のばらつきが認められる。これは、上述したように、基板の周縁部に等間隔に配置されたカソード電極（陰極）における接触抵抗のばらつきや、めっき液を保持するためシール部材のシール性のばらつき等が存在するからである。このような接触抵抗やシール性のばらつきは、めっき装置の部品の個体差や組み付け誤差、部品の経時劣化などが原因とされる。また、めっき装置内に複数のセル（めっき槽）が搭載され、それぞれのセルでめっきを行う場合には、それぞれのセルによって周方向の膜厚のばらつきが異なる。さらに、部品交換前後でも膜厚のばらつきの傾向が変わってくる。

図２３は、研磨テーブル１１２の回転速度を６０min^−１、トップリング１１４の回転速度を３１min^−１とした場合の基板面上のセンサ軌跡を表す図である。この図２３に示す例は、センサ軌跡が徐々に回転する点で図１７の例と同様であるが、研磨テーブル１１２が１回転（３６０°回転）する間にトップリング１１４は１８６°回転するから、センサ軌跡は、走査の向きを考慮に入れないことにすると、３０秒で基板Ｗの表面上を半周して元の位置に戻る。したがって、移動平均点数を５点とすると、この間、センサ１５０は、基板Ｗの周縁部において膜厚の大きい部位または小さい部位のみを連続して走査することになり、膜厚の過大評価や過小評価が発生する。

図２４は、基板Ｗの径方向に分布する各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４で膜厚が均一になることを目標とし、上記の回転速度条件下で研磨中にトップリング１１４の４つの圧力室（エアバッグ）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の圧力を操作した結果の一例を示すグラフである。図２４から分かるように、基板Ｗの周縁部における膜厚の周方向のばらつきの影響を受けて、約３０秒の周期で外側の圧力室ほど大きく圧力が変動する。

図２５は、このような問題を回避するために、研磨テーブル１１２の回転速度を６０min^−１、トップリング１１４の回転速度を３６min^−１に調節したときの基板面上のセンサ軌跡を示す図である。この例では、図２５から分かるように、研磨テーブル１１２が５回転するごとにセンサ軌跡が基板Ｗの表面上を反時計回りに２周していると見なすことができ、その間にセンサ１５０が基板Ｗの表面を全周にわたって周方向に均等な方向・向きに走査している。

図２６は、図２５に示す条件の下で研磨したときのトップリング１１４の各圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の圧力の変化を示すグラフである。この例では、移動平均時間４秒とし、ある時点から４秒前までの１秒間隔の５点のデータ、すなわち、研磨テーブル１１２が５回転する間に取得されたデータについて移動平均処理を行っている。図２６に示すように、図２４に見られたような３０秒程度の周期の圧力変化が見られず、基板の周方向に関して平均的な膜厚をセンサ１５０が把握できているものと推定される。

ここで、センサ１５０が基板Ｗの表面上を等間隔の角度で均等に走査するための、研磨テーブル１１２の回転速度とトップリング１１４の回転速度との関係について説明する。

いま、研磨テーブル１１２が所定の回数ｍ（自然数）だけ回転する間に、センサ１５０が基板Ｗの表面上を全周にわたり周方向に均等な方向・向きに走査するものとすれば、このときの研磨テーブル１１２の回転速度Ｖとトップリング１１４の回転速度Ｒとの関係は次式で表される。
Ｒ／Ｖ＝ｎ／ｍ すなわち ｍ・Ｒ／Ｖ＝ｎ （９）
ここで Ｒ：トップリングの回転速度、
Ｖ：研磨テーブルの回転速度、
ｍ：所定の研磨テーブル回転回数（自然数）、
ｎ：研磨テーブルがｍ回回転する間にトップリングが回転する回数（自然数）を表す。
いま、研磨テーブルがｍ回だけ回転したとき、センサが基板Ｗの表面を１周分均等に走査するものとすれば、ｍとｎとは互いに素な自然数である。

上記式（９）の根拠となる考え方は次の通りである。研磨テーブル１１２がｍ回転する間に、トップリング１１４はｍ・Ｒ／Ｖ回転する。この間に、センサ１５０が基板Ｗの表面上を全周にわたり周方向に均等な方向・向きに走査したとすると、トップリング１１４はちょうどｎ回転しなければならない（式（９））。ただし、研磨テーブル１１２がｍ回（トップリング１１４がｎ回）だけ回転する前に、このような状況が発生しないことを条件とする。言い換えれば、ｍとｎとは互いに素な自然数になる。

ここで、式（９）を別の視点から見ると、研磨テーブル１１２の回転速度Ｖとトップリング１１４の回転速度Ｒとの関係は次の式で表すこともできる。
｜（Ｖ−Ｒ）／Ｖ｜・ｍ＝ｎ’ すなわち、｜１−Ｒ／Ｖ｜・ｍ＝ｎ’ （１０）
ただし、ｎ’は自然数であり、基板の表面上を回転するセンサ軌跡が初期方向に戻るまでのセンサ軌跡の回転回数を示す。
このとき Ｖ＞Ｒならばｍ・Ｒ／Ｖ＝ｍ−ｎ’ ただしｎ’＝１，２，…，ｍ−１
Ｖ＜Ｒならばｍ・Ｒ／Ｖ＝ｍ＋ｎ’ ただしｎ’＝１，２，…
したがって、Ｖ＞Ｒのときｍ−ｎ’をｎと置き換え、Ｖ＜Ｒのときｍ＋ｎ’をｎと置き換えれば、式（１０）は式（９）と等価になる。すなわち、基板表面上におけるセンサ軌跡の回転回数ｎ’は、研磨テーブル１１２の回転回数ｍとトップリング１１４の回転回数ｎとの差になっている。

ここで、研磨中の膜厚の変化に応じて各圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の圧力をリアルタイムで制御するためには、圧力を決定する時点にできるだけ近い時点での膜表面の状態を把握する必要がある。この理由から、上記ｍはある程度小さい方が望ましい。例えば、圧力決定時点から長くても１６秒以内の膜の表面状態を把握しようとするならば、ｍ／Ｖ≦１６秒とする必要がある。一方、周方向の膜厚のばらつき、パターン密度、構造の違いによらず膜の平均的な表面状態を把握するためにはｍをある程度大きくする必要がある。周方向の膜厚のばらつきを少なくとも４本の走査線に対応する８個の計測値で代表するものとするならば、ｍ≧４となる。したがって、リアルタイム制御と膜厚のばらつきとを考慮して、回転回数ｍは、好ましくは４≦ｍ≦１６×Ｖとなるように設定する。

図２７は、式（９）を満たすトップリングと研磨テーブルの回転速度比Ｒ／Ｖの例を示す表である。実際には、研磨装置の研磨性能も考慮して、この表の中から適当な回転速度比を選んで、トップリング１１４と研磨テーブル１１２の回転速度を決定する。
めっき装置のセル（めっき槽）の構造などから、基板の周縁部の膜厚変化にＭ周期の空間的な周期性が認められる場合には、トップリング１１４と研磨テーブル１１２の回転速度の関係は以下のように表される。
Ｒ／Ｖ＝ｎ／（ｍ・Ｍ） ｎ＝１，２，３，… （１１）
ここで、研磨テーブル１１２がｍ回転したときに始めて、走査線が基板Ｗ上で周方向にばらつきのある膜厚の各値を均等に走査するものとすれば、ｍとｎとは互いに素な自然数である。

上記式（９），（１０），（１１）に基づいて研磨テーブル１１２の回転速度を研磨装置の設定単位（例えば１min^−１）の整数倍に設定するとき、トップリング１１４の回転速度が上記設定単位の整数倍にならないことがある。このような場合には、上記式で求めた値に近い整数をトップリング１１４の回転速度として設定すればよい。また、上記式に基づいて研磨テーブル１１２およびトップリング１１４の回転速度を決定した場合、研磨テーブル１１２がｍ回転する間に、研磨パッド１６の同一の部位が基板Ｗの表面上の同一部位を１回研磨することになって、研磨パッド１６上の溝などの影響を受け、基板Ｗの研磨が局所的に不十分となる場合がある。そのような場合には、上式で求めた研磨テーブル１１２またはトップリング１１４の回転速度に研磨装置の設定単位（例えば１min^−１）の回転速度を加算または減算すればよい。

例えば、トップリング１１４および研磨テーブル１１２の回転速度は、上式（９）に基づいて、次の式で表される範囲内で設定することができる。
ｎＶ／ｍ−１≦Ｒ≦ｎＶ／ｍ＋１ （１２）
または ｍ・Ｒ／ｎ−１≦Ｖ≦ｍ・Ｒ／ｎ＋１ （１３）
ただし、Ｖは研磨テーブル１１２の回転速度で、研磨装置が許容する設定単位の倍数を示す自然数であり、Ｒはトップリング１１４の回転速度で、研磨装置が許容する設定単位の倍数を示す自然数である。

センサ１５０が基板Ｗの面上を全周にわたり周方向に均等な方向・向きに走査するといっても、実用的には、研磨テーブル１１２がｍ回だけ回転する間に、トップリング１１４がちょうどｎ回だけ回転する必要はない。研磨テーブル１１２がｍ回回転したときに、トップリング１１４が±０.２回転の範囲でずれることを認めれば、研磨テーブル１１２の回転速度Ｖを次の式で表される範囲内で設定することができる。
ｍ・Ｒ／（ｎ＋０.２）≦Ｖ≦ｍ・Ｒ／（ｎ−０.２） （１４）

なお、上述した方法が、研磨のリアルタイム制御に限らず、研磨終点検知や膜厚のモニタリングのみを行う場合にも適用できることはもちろんである。膜厚の均一性を目的とする研磨制御においては、多くの場合、基板の周縁部の膜厚が重要視される。しかしながら、研磨終点検知や単なる膜厚のモニタリングのみの場合には、必ずしも基板の周縁部をモニタリングする必要はなく、基板の中心部および／またはその付近のみの膜厚をモニタリングしてもよい。基板の中心部とその周辺では、センサ軌跡が１８０度回転した状態であっても、ほぼ同一部位の表面状態を取得できるので、研磨終点検知や膜厚のモニタリングのみの場合には、前述の式（９）において、ｎをｎ／２に置き換えることができる。すなわち、この場合の回転速度比は次の式で表される。
Ｒ／Ｖ＝ｎ／（２ｍ） （１５）

以上の例では、モニタリング信号のノイズ成分を抑える平滑化の方法として移動平均法を例にとって説明したが、モニタリング信号に生ずる回転回数ｍに相当する周期のノイズ成分を実質的に平滑化できるものであれば移動平均に限定されるものでなく、例えば無限インパルス応答型のディジタルフィルタであってもよい。さらに、モニタリング信号を基にリアルタイム制御する場合、回転回数ｍと同期しないように制御周期（具体的には、膜厚の変化に応じて圧力室の圧力を変化させる周期）を適当に設定すれば、移動平均処理等の平滑化処理を行うことなく良好な制御を行うことも可能である。

上述したように、本発明は、半導体ウェハ等の基板の表面に形成された膜を、化学機械的研磨（ＣＭＰ）で平坦化する際に、光学式あるいは渦電流式センサなどのIn-situタイプのセンサから出力される研磨状態を示すモニタリング信号の処理に適用することができる。光学式センサは、一般に、光を透過するシリコン酸化膜系の研磨に使われる。一方、金属などの導体膜研磨には渦電流式センサが使われる。しかしながら、金属においても膜厚が数十ｎｍ以下になれば光が透過するため、光学式センサを使うこともできる。
また、本発明は、上記モニタリング信号を用いて被研磨膜の研磨後の膜厚が均一になるよう研磨する場合にも適用することができる。

本発明は、基板などの加工対象物の被加工面の特性値を算出して、加工終点のタイミングを検知する加工終点検知方法及び装置に適用可能である。

Claims (26)

1. 被研磨物をトップリングで保持しつつ回転させ、
   回転する研磨テーブル上の研磨面に被研磨物を押圧して該被研磨物を研磨し、
   前記研磨テーブルに設置されたセンサで研磨中の被研磨物の表面状態をモニタリングする工程を含み、
   所定の測定時間内に前記センサが被研磨物の表面に描く軌跡が前記被研磨物の表面の全周にわたって略均等に分布するように前記トップリングと前記研磨テーブルの回転速度を設定することを特徴とする研磨方法。
2. 前記所定の測定時間内に前記センサの軌跡が被研磨物の表面を約０.５×Ｎ回（Ｎは自然数）回転するように前記トップリングと前記研磨テーブルの回転速度を設定することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
3. 前記所定の測定時間は、前記センサから得られたモニタリング信号を移動平均処理するときの移動平均時間であることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
4. 前記センサにより被研磨物の表面状態をモニタリングして研磨終点を検知することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
5. 前記センサにより被研磨物の表面状態をモニタリングしながら、該被研磨物の表面の膜厚が均一になるように研磨することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
6. 所定の測定時間は、４から１６×Ｖ（Ｖは前記研磨テーブルの回転速度を表す）までの自然数から選択された回数を前記研磨テーブルが回転する時間であることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
7. 被研磨物をトップリングで保持しつつ回転させ、
   回転する研磨テーブル上の研磨面に被研磨物を押圧して該被研磨物を研磨し、
   前記研磨テーブルに設置されたセンサで研磨中の被研磨物の表面状態をモニタリングする工程を含み、
   前記研磨テーブルが第１の自然数で表わされる所定の回数だけ回転する間に、前記トップリングが前記第１の自然数と互いに素な第２の自然数に等しい回数だけ回転するように、前記トップリングと前記研磨テーブルの回転速度を設定し、
   前記第１の自然数は、４以上であって、１６秒の間に前記研磨テーブルが回転する回数以下であることを特徴とする研磨方法。
8. 前記センサにより被研磨物の表面状態をモニタリングして研磨終点を検知することを特徴とする請求項７に記載の研磨方法。
9. 前記センサにより被研磨物の表面状態をモニタリングしながら、該被研磨物の表面の膜厚が均一になるように研磨することを特徴とする請求項７に記載の研磨方法。
10. 前記研磨テーブルが前記第１の自然数で表わされる所定の回数だけ回転する時間は、前記センサから得られたモニタリング信号を移動平均処理するときの移動平均時間であることを特徴とする請求項７に記載の研磨方法。
11. 被研磨物をトップリングで保持しつつ回転させ、
    回転する研磨テーブル上の研磨面に被研磨物を押圧して該被研磨物を研磨し、
    前記研磨テーブルに設置されたセンサで研磨中の被研磨物の表面状態をモニタリングする工程を含み、
    前記トップリングの回転速度と前記研磨テーブルの回転速度が、
    ｎＶ／ｍ−１≦Ｒ≦ｎＶ／ｍ＋１またはｍ・Ｒ／ｎ−１≦Ｖ≦ｍ・Ｒ／ｎ＋１
    ただし、Ｖは前記研磨テーブルの回転速度で、研磨装置が許容する設定単位の
    倍数を示す自然数、
    Ｒは前記トップリングの回転速度で、研磨装置が許容する設定単位の倍数を
    示す自然数、
    ｍは所定の自然数であって、かつ前記センサが被研磨物の表面を全周にわた
    り周方向に均等な方向・向きに走査するのに要する前記研磨テーブルの回転
    回数、
    ｎはｍと互いに素な自然数、
    で表される関係式を満たすことを特徴とする研磨方法。
12. 前記センサにより被研磨物の表面状態をモニタリングして研磨終点を検知することを特徴とする請求項１１に記載の研磨方法。
13. 前記センサにより被研磨物の表面状態をモニタリングしながら、該被研磨物の表面の膜厚が均一になるように研磨することを特徴とする請求項１１に記載の研磨方法。
14. 被研磨物を保持しつつ回転させるトップリングと、
    前記トップリングに保持された被研磨物が押圧される研磨面を有する回転可能な研磨テーブルと、
    前記研磨テーブルに設置され、研磨中の被研磨物の表面状態をモニタリングするセンサとを備え、
    前記トップリングと前記研磨テーブルの回転速度は、所定の測定時間内に前記センサが被研磨物の表面に描く軌跡が前記被研磨物の表面の全周にわたって略均等に分布するように設定されていることを特徴とする研磨装置。
15. 前記所定の測定時間内に前記センサの軌跡が被研磨物の表面を約０.５×Ｎ回（Ｎは自然数）回転するように前記トップリングと前記研磨テーブルの回転速度が設定されていることを特徴とする請求項１４に記載の研磨装置。
16. 前記所定の測定時間は、前記センサから得られたモニタリング信号を移動平均処理するときの移動平均時間であることを特徴とする請求項１４に記載の研磨装置。
17. 前記センサから得られた被研磨物の表面状態に基づき、研磨終点を検知する終点検知部をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の研磨装置。
18. 前記センサから得られた被研磨物の表面状態に基づき、該被研磨物の表面を均一に研磨するための被研磨物の前記研磨面に対する押圧力を決定する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の研磨装置。
19. 所定の測定時間は、４から１６×Ｖ（Ｖは前記研磨テーブルの回転速度を表す）までの自然数から選択された回数を前記研磨テーブルが回転する時間であることを特徴とする請求項１４に記載の研磨装置。
20. 被研磨物を保持しつつ回転させるトップリングと、
    前記トップリングに保持された被研磨物が押圧される研磨面を有する回転可能な研磨テーブルと、
    前記研磨テーブルに設置され、研磨中の被研磨物の表面状態をモニタリングするセンサとを備え、
    前記研磨テーブルが第１の自然数で表わされる所定の回数だけ回転する間に、前記トップリングが前記第１の自然数と互いに素な第２の自然数に等しい回数だけ回転するように、前記トップリングと前記研磨テーブルの回転速度が設定され、
    前記第１の自然数は、４以上であって、１６秒の間に研磨テーブルが回転する回数以下であることを特徴とする研磨装置。
21. 前記センサから得られた被研磨物の表面状態に基づき、研磨終点を検知する終点検知部をさらに備えることを特徴とする請求項２０に記載の研磨装置。
22. 前記センサから得られた被研磨物の表面状態に基づき、該被研磨物の表面を均一に研磨するための被研磨物の前記研磨面に対する押圧力を決定する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項２０に記載の研磨装置。
23. 前記研磨テーブルが前記第１の自然数で表わされる所定の回数だけ回転する時間は、前記センサから得られたモニタリング信号を移動平均処理するときの移動平均時間であることを特徴とする請求項２０に記載の研磨方法。
24. 被研磨物を保持しつつ回転させるトップリングと、
    前記トップリングに保持された被研磨物が押圧される研磨面を有する回転可能な研磨テーブルと、
    前記研磨テーブルに設置され、研磨中の被研磨物の表面状態をモニタリングするセンサとを備え、
    前記トップリングの回転速度と前記研磨テーブルの回転速度が、
    ｎＶ／ｍ−１≦Ｒ≦ｎＶ／ｍ＋１またはｍ・Ｒ／ｎ−１≦Ｖ≦ｍ・Ｒ／ｎ＋１
    ただし、Ｖは前記研磨テーブルの回転速度で、研磨装置が許容する設定単位の
    倍数を示す自然数、
    Ｒは前記トップリングの回転速度で、研磨装置が許容する設定単位の倍数を
    示す自然数、
    ｍは所定の自然数であって、かつ前記センサが被研磨物の表面を全周にわた
    り周方向に均等な方向・向きに走査するのに要する前記研磨テーブルの回転
    回数、
    ｎはｍと互いに素な自然数、
    で表される関係式を満たすことを特徴とする研磨装置。
25. 前記センサから得られた被研磨物の表面状態に基づき、研磨終点を検知する終点検知部をさらに備えることを特徴とする請求項２４に記載の研磨装置。
26. 前記センサから得られた被研磨物の表面状態に基づき、該被研磨物の表面を均一に研磨するための被研磨物の前記研磨面に対する押圧力を決定する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項２４に記載の研磨装置。

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