JP2019079923A - 研磨方法および研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜厚の測定点の実際の位置を取得し、最適な研磨圧力をウェーハなどの基板に加えることができる研磨方法を提供する。【解決手段】基板Ｗの研磨中に、基板検知センサ８および膜厚センサ７が基板Ｗの表面を横切りながら、基板検知センサ８が基板検知信号を予め設定された周期で生成し、かつ膜厚センサ７が所定の測定点で膜厚信号を生成し、基板検知信号の数から、研磨ヘッド１の中心に対する基板Ｗの中心の偏心角度を算出し、偏心角度に基づいて、所定の測定点の位置を補正し、所定の測定点の補正された位置と、膜厚信号とに基づいて、研磨ヘッド１が基板Ｗを押し付ける研磨圧力を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、ウェーハなどの基板を研磨する方法および装置に関し、特に、基板の中心部およびエッジ部を含む基板の表面上の膜厚分布を基板の研磨中に取得し、得られた膜厚分布に基づいて基板に加える研磨圧力を制御する方法および装置に関する。

近年、半導体デバイスの微細化は配線幅が１０ｎｍを下回る段階まで進展し、それに伴い膜厚についてもナノメーターレベルの厳密な管理が必要になっている。ウェーハの表面を研磨するための研磨装置は、ウェーハの中心部およびエッジ部を含むウェーハの全面における膜厚分布をウェーハの研磨中に取得し、得られた膜厚分布に基づいてウェーハへの研磨圧力を制御するように構成される。

図１６は、従来の研磨装置を示す模式図である。研磨テーブル１０１と研磨ヘッド１０２は同じ方向に回転しつつ、スラリーがスラリーノズル１０５から研磨テーブル１０１上の研磨パッド１１０上に供給される。ウェーハＷは研磨ヘッド１０２により研磨パッド１１０に押し付けられ、ウェーハＷと研磨パッド１１０との間にスラリーが存在した状態で、ウェーハＷの表面が研磨される。研磨ヘッド１０２はウェーハＷの周囲に配置されたリテーナリング１０３を備えており、このリテーナリング１０３によりウェーハＷが研磨中に研磨ヘッド１０２から外れてしまうことが防止される。

研磨テーブル１０１内に配置された膜厚センサ１１２は、研磨テーブル１０１が一回転するたびにウェーハＷの表面を横切りながら、ウェーハＷの膜厚を測定する。膜厚の測定値は、制御部１１７にフィードバックされ、制御部１１７は膜厚の測定値に基づいて、最適な研磨圧力を決定し、研磨ヘッド１０２は決定された研磨圧力をウェーハＷに加えることでウェーハＷを研磨パッド１１０に押し付ける。このようなフィードバックコントロールにより、目標の膜厚プロファイルを達成することができる。

特開２０１２−１３８４４２号公報

上述した膜厚センサ１１２は、研磨テーブル１０１が一回転するたびに、研磨ヘッド１０２の中心を通る位置に配置されている。したがって、膜厚の測定点は、ウェーハＷの中心およびエッジ部を含む領域に分布する。制御部１１７は、測定点がウェーハＷの中心およびエッジ部を含む領域に分布するとの仮定の下で、膜厚の測定値と、膜厚の測定点の位置情報とに基づいて、その測定点に適切な研磨圧力を決定する。

しかしながら、図１７に示すように、リテーナリング１０３の内径と、ウェーハＷの直径との間には差があり、ウェーハＷの研磨中はウェーハＷと研磨パッド１１０との間に作用する摩擦力により、ウェーハＷの最外周はリテーナリング１０３の内周面１０３ａに押し付けられる。結果として、ウェーハＷの中心は研磨ヘッド１０２の中心からずれ、実際の膜厚の測定点は、上記仮定上の測定点とは異なってしまう。

測定点の位置情報が正確でないと、その測定点に最適な研磨圧力をウェーハＷに加えることができない。特に、ウェーハＷのエッジ部では、半径位置に従って膜厚が大きく変化し、必然的に、最適な研磨圧力も半径位置に従って変わる。このため、実際の測定点と上記仮定上の測定点との間に位置のずれがあると、制御部１１７で決定された研磨圧力と最適な研磨圧力との間に差が生じ、結果として、目標とする膜厚プロファイルが得られないことがあった。

そこで、本発明は、膜厚の測定点の実際の位置を取得し、最適な研磨圧力をウェーハなどの基板に加え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。

本発明の一態様は、基板検知センサおよび膜厚センサが内部に配置された研磨テーブルを回転させ、リテーナリングを備えた研磨ヘッドにより基板を前記研磨テーブル上の研磨パッドに押し付けて該基板を研磨し、前記基板の研磨中に、前記基板検知センサおよび前記膜厚センサが前記基板の表面を横切りながら、前記基板検知センサが基板検知信号を予め設定された周期で生成し、かつ前記膜厚センサが所定の測定点で膜厚信号を生成し、前記基板検知信号の数から、前記研磨ヘッドの中心に対する前記基板の中心の偏心角度を算出し、前記偏心角度に基づいて、前記所定の測定点の位置を補正し、前記所定の測定点の補正された位置と、前記膜厚信号とに基づいて、前記研磨ヘッドが前記基板を押し付ける研磨圧力を制御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、前記研磨テーブルの中心から前記基板検知センサまでの距離は、前記研磨テーブルの中心から前記膜厚センサまでの距離よりも短いことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板の研磨中に、前記基板検知センサは前記基板のエッジ部を横切り、前記膜厚センサは前記エッジ部および該エッジ部の内側の領域を横切ることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記偏心角度に基づいて、前記所定の測定点の位置を補正する工程は、前記基板の直径と前記リテーナリングの内径との差を２で割った数値と、前記偏心角度から、座標補正値を算出し、前記座標補正値に基づいて、前記所定の測定点の位置を補正する工程であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板検知センサは膜厚センサであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板検知センサは、光学式膜厚センサであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板検知センサは、渦電流センサであることを特徴とする。

本発明の一態様は、研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付けて前記基板を研磨する研磨ヘッドと、前記研磨テーブルに設置され、膜厚信号を所定の測定点で生成する膜厚センサと、前記研磨テーブルに設置され、基板検知信号を予め設定された周期で生成する基板検知センサと、前記基板検知信号の数から、前記研磨ヘッドの中心に対する前記基板の中心の偏心角度を算出し、前記偏心角度に基づいて、前記所定の測定点の位置を補正し、前記所定の測定点の補正された位置と、前記膜厚信号とに基づいて、前記研磨ヘッドが前記基板を押し付ける研磨圧力の目標値を決定するデータ処理部と、前記研磨圧力の目標値に基づいて、前記研磨ヘッドが前記基板を押し付ける研磨圧力を制御する動作制御部を備えたことを特徴とする研磨装置である。

本発明の好ましい態様は、前記研磨テーブルの中心から前記基板検知センサまでの距離は、前記研磨テーブルの中心から前記膜厚センサまでの距離よりも短いことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記データ処理部は、前記基板の直径と前記リテーナリングの内径との差を２で割った数値と、前記偏心角度から、座標補正値を算出し、前記座標補正値に基づいて、前記所定の測定点の位置を補正するように構成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板検知センサは膜厚センサであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板検知センサは、光学式膜厚センサであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板検知センサは、渦電流センサであることを特徴とする。

本発明によれば、基板の偏心角度から、膜厚の測定点の実際の位置を決定することができる。したがって、測定点の実際の位置で生成された膜厚信号に基づいて、最適な研磨圧力を決定することができ、結果として、目標とする膜厚プロファイルを達成することができる。

研磨装置の一実施形態を示す模式図である。 図１に示すデータ処理部、動作制御部、センサ制御部が１台のコンピュータから構成された一実施形態を示す模式図である。 研磨ヘッドの断面図である。 研磨テーブル内に設置された膜厚センサおよびウェーハ検知センサ（基板検知センサの配置を示す平面図である。 光学式膜厚センサからなる膜厚センサと、渦電流センサからなる膜厚センサを備えた研磨装置のセンサ配置図である。 研磨中のウェーハとリテーナリングを示す模式図である。 リテーナリング内のウェーハが研磨テーブル中心側に偏った例を示す模式図である。 リテーナリング内のウェーハが研磨テーブルの移動方向において下流側に偏った例を示す模式図である。 リテーナリング内のウェーハが研磨テーブル外側に偏った例を示す模式図である。 偏心角度を説明するための図である。 シミュレーションを実行することによって得られた相関データの一例を示すグラフである。 研磨テーブルの中心とウェーハ検知センサとの距離が２００ｍｍである条件下でシミュレーションを実行することによって得られた相関データの一例を示すグラフである。 研磨テーブルの中心とウェーハ検知センサとの距離が３３０ｍｍである条件下でシミュレーションを実行することによって得られた相関データの一例を示すグラフである。 ウェーハ上の測定点の位置を補正する一実施形態を示す模式図である。 膜厚センサからなるウェーハ検知センサがウェーハを検知するメカニズムを説明する模式図である。 従来の研磨装置を示す模式図である。 ウェーハの直径とリテーナリングの内径との差を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、研磨装置の一実施形態を示す模式図である。図１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、基板の一例であるウェーハＷを研磨パッド２に押し付ける研磨ヘッド１と、研磨テーブル３を回転させるテーブルモータ６と、研磨パッド２上に研磨液（スラリー）を供給するための研磨液供給ノズル５とを備えている。研磨パッド２の表面は、ウェーハＷを研磨する研磨面２ａを構成する。研磨テーブル３はテーブルモータ６に連結されており、研磨テーブル３および研磨パッド２を一体に回転させるように構成されている。研磨ヘッド１は、研磨ヘッドシャフト１１の端部に固定されており、研磨ヘッドシャフト１１は、ヘッドアーム１５に回転可能に支持されている。

ウェーハ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１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。ウェーハ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とウェーハＷとの間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。ウェーハＷの表面は、研磨液の化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒による機械的作用により研磨される。

研磨テーブル３内には膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ（基板検知センサ）８が配置されている。膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８は研磨テーブル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７およびウェーハ検知センサ８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上のウェーハＷの表面（すなわち被研磨面である下面）を横切る位置である。ウェーハ検知センサ８は、研磨テーブル３の中心Ｏを挟んで、膜厚センサ７の反対側に配置されている。本実施形態では、膜厚センサ７、研磨テーブル３の中心Ｏ、およびウェーハ検知センサ８は、一直線上に並んでいる。

膜厚センサ７は、ウェーハＷの表面上の所定の測定点での膜厚を示す膜厚信号を生成するセンサである。ウェーハ検知センサ８は、ウェーハＷを感知し、ウェーハ検知センサ８の上方にウェーハＷが存在することを示すウェーハ検知信号（基板検知信号）を生成するセンサである。膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８は、ウェーハＷの表面を横切りながら、膜厚信号およびウェーハ検知信号をそれぞれ生成する。

膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８はデータ処理部９Ａに接続されており、膜厚センサ７から出力された膜厚信号およびウェーハ検知センサ８から出力されたウェーハ検知信号はデータ処理部９Ａに送られるようになっている。データ処理部９Ａとしては、処理装置および記憶装置を備えた、汎用または専用のコンピュータを使用することができる。

研磨装置は、研磨ヘッド１、研磨テーブル３、および研磨液供給ノズル５の動作を制御する動作制御部９Ｂをさらに備えている。さらに、研磨装置は、膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８の動作を制御するセンサ制御部９Ｃを備えている。膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８はセンサ制御部９Ｃに接続されている。動作制御部９Ｂはデータ処理部９Ａに接続され、センサ制御部９Ｃは動作制御部９Ｂに接続されている。データ処理部９Ａ、動作制御部９Ｂ、センサ制御部９Ｃは、それぞれ汎用または専用のコンピュータから構成することができる。あるいは、図２に示す一実施形態のように、データ処理部９Ａ、動作制御部９Ｂ、センサ制御部９Ｃは、１台の汎用または専用のコンピュータ９から構成されてもよい。

動作制御部９Ｂは、測定開始信号および測定条件情報をセンサ制御部９Ｃに送信する。測定開始信号を受け取ると、センサ制御部９Ｃは、研磨テーブル３が一回転するたびに、膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８にそれぞれトリガー信号を送る。膜厚センサ７は、トリガー信号を受け取ったときに、上記膜厚信号を生成する。ウェーハ検知センサ８は、トリガー信号を受け取ったときであって、かつウェーハ検知センサ８の上方にウェーハＷが存在しているときに、上記ウェーハ検知信号を生成する。膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８へのトリガー信号の送信周期は、測定条件情報に含まれる予め設定された周期に相当する。すなわち、センサ制御部９Ｃは、測定条件情報に含まれる予め設定された周期でトリガー信号を生成し、トリガー信号を連続的に膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８に送る。

センサ制御部９Ｃは、テーブル回転位置検出器１９から送られてくる研磨テーブル３の回転位置信号と研磨テーブル３の回転速度に基づいて、トリガー信号を膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８に送信するタイミングを決定する。センサ制御部９Ｃは、決定したタイミングでトリガー信号を膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８に送信する。より具体的には、センサ制御部９Ｃは、膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８に異なるタイミングでトリガー信号を送信する。したがって、研磨テーブル３が一回転するたびに、膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８は、ウェーハＷの表面を横切りながら、異なるタイミングで膜厚信号およびウェーハ検知信号をそれぞれ生成する。

テーブル回転位置検出器１９は、研磨テーブル３に固定されたセンサターゲット２０と、研磨テーブル３の側方に配置された近接センサ２１との組み合わせから構成される。センサターゲット２０は研磨テーブル３とともに回転し、その一方で近接センサ２１の位置は固定されている。近接センサ２１はセンサターゲット２０を感知すると、センサ制御部９Ｃに研磨テーブル３の回転位置信号を送信する。センサ制御部９Ｃは、研磨テーブル３の回転位置信号と研磨テーブル３の回転速度に基づいて、研磨テーブル３の現在の回転位置を計算することができる。一実施形態では、テーブル回転位置検出器１９は、テーブルモータ６のモータドライバ２３から構成してもよい。

本実施形態では、ウェーハ検知センサ８は膜厚センサ７よりも研磨テーブル３の中心Ｏに近い位置に配置されている。より具体的には、研磨テーブル３の中心Ｏからウェーハ検知センサ８までの距離は、研磨テーブル３の中心Ｏから膜厚センサ７までの距離よりも短い。したがって、研磨テーブル３の回転に伴い、膜厚センサ７は軌跡Ｐ１を描いてウェーハＷの表面を横切り、ウェーハ検知センサ８は軌跡Ｐ１とは異なる軌跡Ｐ２を描いてウェーハＷの表面を横切る。

次に、研磨ヘッド１について説明する。図３は、研磨ヘッド１を示す断面図である。研磨ヘッド１は、研磨ヘッドシャフト１１の端部に固定されたヘッド本体３１と、ヘッド本体３１の下部に取り付けられたメンブレン（弾性膜）３４と、ヘッド本体３１の下方に配置されたリテーナリング３２とを備えている。リテーナリング３２は、メンブレン３４の周囲に配置されており、ウェーハＷの研磨中にウェーハＷが研磨ヘッド１から飛び出さないようにするためにウェーハＷを保持する環状の構造体である。

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

圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４にはそれぞれ気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４が接続されている。気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の一端は、研磨装置が設置されている工場に設けられたユーティリティとしての圧縮気体供給源（図示せず）に接続されている。圧縮空気等の圧縮気体は、気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を通じて圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４にそれぞれ供給されるようになっている。

圧力室Ｃ３に連通する気体移送ラインＦ３は、図示しない真空ラインに接続されており、圧力室Ｃ３内に真空を形成することが可能となっている。圧力室Ｃ３を構成する、メンブレン３４の部位には開口が形成されており、圧力室Ｃ３に真空を形成することによりウェーハＷが研磨ヘッド１に吸着保持される。また、この圧力室Ｃ３に圧縮気体を供給することにより、ウェーハＷが研磨ヘッド１からリリースされる。

ヘッド本体３１とリテーナリング３２との間には、環状のメンブレン（ローリングダイヤフラム）３６が配置されおり、このメンブレン３６の内部には圧力室Ｃ５が形成されている。圧力室Ｃ５は、気体移送ラインＦ５を介して上記圧縮気体供給源に連結されている。圧縮気体は、気体移送ラインＦ５を通じて圧力室Ｃ５内に供給され、圧力室Ｃ５はリテーナリング３２を研磨パッド２に対して押圧する。

気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は、研磨ヘッドシャフト１１に取り付けられたロータリージョイント４０を経由して延びている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５に連通する気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５には、それぞれ圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５が設けられている。圧縮気体供給源からの圧縮気体は、圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５を通って圧力室Ｃ１〜Ｃ５内にそれぞれ独立に供給される。圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５は、圧力室Ｃ１〜Ｃ５内の圧縮気体の圧力を調節するように構成されている。

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

データ処理部９Ａ（図１および図２参照）は、ウェーハＷの膜厚を示す膜厚信号を膜厚センサ７から受け取り、膜厚信号に基づいて、目標膜厚プロファイルを達成するための圧力室Ｃ１〜Ｃ４の目標圧力値を決定し、目標圧力値を動作制御部９Ｂに送信する。圧力室Ｃ１〜Ｃ４の目標圧力値は、研磨ヘッド１からウェーハＷに加えられる研磨圧力の目標値に相当する。圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５は動作制御部９Ｂに接続されている。動作制御部９Ｂは、圧力室Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれの目標圧力値を指令値として圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５に送り、圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５は、圧力室Ｃ１〜Ｃ５内の圧力が対応する目標圧力値に維持されるように動作する。

研磨ヘッド１はウェーハＷの複数の領域に対して、独立した研磨圧力をそれぞれ加えることができる。例えば、研磨ヘッド１は、ウェーハＷの表面の異なる領域を異なる研磨圧力で研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けることができる。したがって、研磨ヘッド１は、ウェーハＷの膜厚プロファイルを制御して、目標とする膜厚プロファイルを達成することができる。

膜厚センサ７は、ウェーハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号を出力するセンサである。膜厚信号は、膜厚を直接または間接に示す数値またはデータ（数値群）である。膜厚センサ７は、例えば、光学式膜厚センサまたは渦電流センサから構成される。光学式膜厚センサは、ウェーハＷの表面に光を照射し、ウェーハＷからの反射光の強度を波長ごとに測定し、波長に関連付けられた反射光の強度を出力するように構成される。波長に関連付けられた反射光の強度は、ウェーハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号である。渦電流センサは、ウェーハＷに形成されている導電膜に渦電流を誘起させ、導電膜と渦電流センサのコイルとを含む電気回路のインピーダンスに従って変化する膜厚信号を出力する。本実施形態に使用される光学式膜厚センサおよび渦電流センサは、公知の装置を使用することができる。

図４は、研磨テーブル３内に設置された膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ（基板検知センサ）８の配置を示す平面図である。図４では、研磨パッド２の図示は省略されている。上述したように、研磨テーブル３の中心Ｏからウェーハ検知センサ８までの距離は、研磨テーブル３の中心Ｏから膜厚センサ７までの距離よりも短い。したがって、研磨テーブル３の回転に伴い、膜厚センサ７は軌跡Ｐ１を描いてウェーハＷの表面を横切り、ウェーハ検知センサ８は軌跡Ｐ１とは異なる軌跡Ｐ２を描いてウェーハＷの表面を横切る。

本実施形態では、研磨テーブル３の中心Ｏから膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８まで延びる２つの直線のなす角度は１８０°である。すなわち、膜厚センサ７、研磨テーブル３の中心Ｏ、およびウェーハ検知センサ８は、一直線上に並んでいる。一実施形態では、研磨テーブル３の中心Ｏから膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８まで延びる２つの直線のなす角度は１８０°以外の角度であってもよい。

膜厚センサ７は、光学式膜厚センサまたは渦電流センサである。複数の膜厚センサを研磨テーブル３に設けてもよい。図５は、光学式膜厚センサからなる膜厚センサ７と、渦電流センサからなる膜厚センサ２５を備えた研磨装置のセンサ配置図である。膜厚センサ７と膜厚センサ２５は、研磨テーブル３の中心Ｏから同じ距離にあり、かつ研磨テーブル３の周方向において互いに離れている。図５に示す膜厚センサ７およびウェーハ検知センサ８の位置は、図４に示す実施形態と同じである。膜厚センサ７と膜厚センサ２５は、同じ軌跡Ｐ１を描いてウェーハＷの表面を横切る。

膜厚センサ７と膜厚センサ２５は、ウェーハＷの研磨中に同時に使用してもよく、またはウェーハＷの膜の種類に基づいて膜厚センサ７または膜厚センサ２５のいずれか一方を選択的に使用してもよい。膜厚センサ７および膜厚センサ２５に加えて、１つまたはそれよりも多い膜厚センサをさらに設けてもよい。

図６は、研磨中のウェーハＷとリテーナリング３２を示す模式図である。研磨テーブル３の回転に伴い、膜厚センサ７は軌跡Ｐ１を描いてウェーハＷのエッジ部Ｓ１および該エッジ部Ｓ１の内側の領域Ｓ２を横切り、ウェーハ検知センサ８は軌跡Ｐ２を描いてウェーハＷのエッジ部Ｓ１のみを横切る。エッジ部Ｓ１は、ウェーハＷの表面の最も外側に位置する環状の領域である。エッジ部Ｓ１の内側の領域Ｓ２は、ウェーハＷの中心Ｈ１を含む円形の領域である。ウェーハ検知センサ８は、ウェーハＷのエッジ部Ｓ１を横切りながら、ウェーハ検知信号（基板検知信号）を予め設定された周期で生成する。ウェーハ検知信号は、ウェーハ検知センサ８の上にウェーハＷが存在していることを示す信号である。

図６に示すように、ウェーハＷの研磨中、ウェーハＷはリテーナリング３２に囲まれる。リテーナリング３２の内径と、ウェーハＷの直径との間には差があり、ウェーハＷの研磨中はウェーハＷと研磨パッド２との間に作用する摩擦力により、ウェーハＷの最外周はリテーナリング３２の内周面３２ａに押し付けられる。結果として、ウェーハＷの中心Ｈ１は研磨ヘッド１の中心Ｈ２からずれる。

ウェーハ検知センサ８の軌跡Ｐ２は、リテーナリング３２内でのウェーハＷの位置によらず一定であるが、ウェーハ検知信号の数はリテーナリング３２に対するウェーハＷの相対位置に依存して変わりうる。そこで、本実施形態では、データ処理部９Ａは、研磨テーブル３の一回転当たりのウェーハ検知信号（基板検知信号）の数に基づいて、研磨ヘッド１の中心Ｈ２に対するウェーハＷの中心Ｈ１の偏心角度を決定する。以下、偏心角度を決定する原理について説明する。

図７は、リテーナリング３２内のウェーハＷが研磨テーブル中心側に偏った例を示す模式図である。ウェーハ検知センサ８は予め設定された周期でウェーハ検知信号を生成する。ウェーハ検知センサ８の軌跡Ｐ２上の黒丸は、ウェーハ検知信号が生成されたウェーハＷ上の検知点である。検知点の数（すなわち軌跡Ｐ２上の黒丸の数）は、ウェーハ検知信号の数に相当する。図８は、リテーナリング３２内のウェーハＷが研磨テーブル３の移動方向において下流側に偏った例を示す模式図であり、図９は、リテーナリング３２内のウェーハＷが研磨テーブル外側に偏った例を示す模式図である。

図７，図８，図９から分かるように、リテーナリング３２に対するウェーハＷの相対位置によって、研磨テーブル３の一回転当たりのウェーハ検知信号（基板検知信号）の数は変化する。ウェーハＷの研磨中は、ウェーハＷの最外周はリテーナリング３２の内周面３２ａに接触しているので、ウェーハＷの中心Ｈ１と研磨ヘッド１の中心Ｈ２との距離は、ウェーハＷの相対位置によらず一定である。これ対して、研磨ヘッド１の中心Ｈ２に対するウェーハＷの中心Ｈ１の偏心角度は、リテーナリング３２に対するウェーハＷの相対位置に依存して変わる。すなわち、偏心角度と、ウェーハ検知信号の数との間には、相関がある。

データ処理部９Ａは、偏心角度とウェーハ検知信号の数との間の相関を示す相関データをその内部に予め格納している。データ処理部９Ａは、ウェーハＷの研磨中に、研磨テーブル３の一回転当たりのウェーハ検知信号の数を計数し、相関データに基づいてウェーハ検知信号の数に対応する偏心角度を決定する。

偏心角度とウェーハ検知信号の数との間の相関を示す相関データは、シミュレーションにより求めることができる。シミュレーションを実行するのに必要な要素、すなわち、偏心角度とウェーハ検知信号の数との間の相関を示す相関データを定めるために必要な要素は、次の通りである。
ウェーハＷの直径
リテーナリング３２の内径
研磨テーブル３の中心Ｏと研磨ヘッド１の中心Ｈ２との距離
研磨テーブル３の中心Ｏとウェーハ検知センサ８との距離
研磨テーブル３の回転速度
ウェーハ検知センサ８の検知周期
研磨ヘッド１の中心Ｈ２に対するウェーハＷの中心Ｈ１の偏心角度

図１０は、偏心角度を説明するための図である。図１０に示す記号θは偏心角度を表す。偏心角度θは、研磨ヘッド１の中心Ｈ２を通る基準線ＲＬと、研磨ヘッド１の中心Ｈ２およびウェーハＷの中心Ｈ１を通る直線とのなす角度と定義される。本実施形態では、基準線ＲＬは、研磨テーブル３の中心Ｏと研磨ヘッド１の中心Ｈ２を通る直線と定義される。上述した相関データを得るためのシミュレーションでは、偏心角度θを０°から１８０°まで１°刻みで変化させながら、各偏心角度θでのウェーハ検知信号の数を計数する。

シミュレーションの一例を以下に示す。このシミュレーションの条件は以下の通りである。
ウェーハＷの直径：３００ｍｍ
リテーナリング３２の内径：３０５ｍｍ
研磨テーブル３の中心Ｏと研磨ヘッド１の中心Ｈ２との距離：２００ｍｍ
研磨テーブル３の中心Ｏとウェーハ検知センサ８との距離：７０ｍｍ
研磨テーブル３の回転速度：１００ｍｉｎ^−１
ウェーハ検知センサ８の検知周期：０．５ｍｓ（ミリ秒）
偏心角度θ：０°〜１８０°

図１１は、シミュレーションを実行することによって得られた相関データの一例を示すグラフである。縦軸は研磨テーブル３の一回転当たりのウェーハ検知信号の数を表し、横軸は偏心角度θを表す。図１１に示す例では、ウェーハ検知信号の数が増えるに従い、偏心角度θも大きくなる。したがって、データ処理部９Ａは、ウェーハＷの研磨中に、ウェーハ検知信号の数を計数し、対応する偏心角度θを相関データに基づいて決定することができる。

図１２は、研磨テーブル３の中心Ｏとウェーハ検知センサ８との距離が２００ｍｍである条件下でシミュレーションを実行することによって得られた相関データの一例を示すグラフであり、図１３は、研磨テーブル３の中心Ｏとウェーハ検知センサ８との距離が３３０ｍｍである条件下でシミュレーションを実行することによって得られた相関データの一例を示すグラフである。他の条件は、図１１を参照して説明したシミュレーションと同じである。

図１２および図１３の相関データは、偏心角度θの変化に対して、ウェーハ検知信号の数があまり変化しないことを示している。つまり、ウェーハ検知信号の数の変化に基づいて偏心角度θを決定する分解能は低いと言える。これに対して、図１１の相関データは、ウェーハ検知信号の数の変化幅が大きく、偏心角度θを決定する分解能が高いことを示している。図１１、図１２、図１３に示す相関データから、研磨テーブル３の中心Ｏとウェーハ検知センサ８との距離は、研磨テーブル３の中心Ｏと研磨ヘッド１の中心Ｈ２との距離よりも短いことが好ましいことが分かる。

このようにして、データ処理部９Ａは、ウェーハ検知センサ８の上方にウェーハＷが存在していることを示すウェーハ検知信号の数に対応する偏心角度θを相関データを参照して決定する。データ処理部９Ａは、膜厚センサ７の測定点の位置を、決定された偏心角度θに基づいて補正する。より具体的には、データ処理部９Ａは、決定された偏心角度θと、ウェーハＷの中心Ｈ１と研磨ヘッド１の中心Ｈ２との距離に基づいて、測定点の位置を補正する。

ウェーハＷの中心Ｈ１と研磨ヘッド１の中心Ｈ２との距離は、リテーナリング３２の内径とウェーハＷの直径との差を２で割り算することで得られる。ウェーハＷの研磨中は、ウェーハＷはリテーナリング３２の内周面３２ａに接触しているので、偏心角度θにかかわらず、ウェーハＷの中心Ｈ１と研磨ヘッド１の中心Ｈ２との距離は一定である。

図１４は、ウェーハＷ上の測定点の位置を補正する一実施形態を示す模式図である。ウェーハＷの表面上の膜厚の測定点Ｍ１の位置を特定するために、ウェーハＷの表面上にＸＹ座標系を定義する。ＸＹ座標系は、研磨ヘッド１の中心Ｈ２上に原点に持つ。ＸＹ座標系のＸ軸は基準線ＲＬに一致し、ＸＹ座標系のＹ軸は研磨ヘッド１の中心Ｈ２を通り、かつ基準線ＲＬに垂直である。ウェーハＷの中心Ｈ１と研磨ヘッド１の中心Ｈ２との距離をｄとすると、ウェーハＷの中心Ｈ１の座標は（ｄｃｏｓθ，−ｄｓｉｎθ）で表される。この座標は、ウェーハＷの表面上の膜厚の測定点の位置を補正するための座標補正値としてデータ処理部９Ａ内に記憶される。

データ処理部９Ａは、上記座標補正値（ｄｃｏｓθ，−ｄｓｉｎθ）に基づいて測定点Ｍ１の位置を補正する。本実施形態では、データ処理部９Ａは、測定点Ｍ１の座標（ｘ，ｙ）から、上記座標補正値（ｄｃｏｓθ，−ｄｓｉｎθ）を引き算することで、測定点Ｍ１の位置を補正する。補正された測定点Ｍ１の位置は、座標（ｘ−ｄｃｏｓθ，ｙ＋ｄｓｉｎθ）で表される。この補正された測定点Ｍ１は、膜厚信号が生成された測定点の実際の位置である。同じようにして、他の測定点の座標から上記座標補正値（ｄｃｏｓθ，−ｄｓｉｎθ）を引き算することで、他の測定点の位置を補正する。

データ処理部９Ａは、膜厚センサ７によって生成された膜厚信号と、その膜厚信号が生成された測定点の補正された位置（実際の位置）に基づいて、その測定点での最適な研磨圧力、すなわちその測定点での研磨圧力の目標値を決定する。一実施形態では、データ処理部９Ａは、膜厚センサ７によって生成された膜厚信号と、その膜厚信号が生成された測定点の補正された位置（実際の位置）に基づいて、その補正された位置での膜厚値を決定し、決定された膜厚と、その補正された位置での目標膜厚との差を最小にすることができる圧力室（図３のＣ１〜Ｃ４のいずれか）の目標圧力値を決定する。データ処理部９Ａは、決定した目標圧力値を動作制御部９Ｂに送信する。圧力室の目標圧力値は、研磨ヘッド１からウェーハＷに加えられる研磨圧力の目標値に相当する。動作制御部９Ｂは、圧力室の目標圧力値をデータ処理部９Ａから受け取り、圧力室の目標圧力値に基づいて、研磨ヘッド１からウェーハＷに加えられる研磨圧力を制御する。より具体的には、動作制御部９Ｂは、圧力室の目標圧力値を対応する圧力レギュレータ（図３のＲ１〜Ｒ４のいずれか）に送信し、圧力レギュレータは、圧力室内の圧力を目標圧力値に維持させることによって、研磨ヘッド１からウェーハＷに加えられる研磨圧力を制御する。本実施形態によれば、測定点の実際の位置で生成された膜厚信号に基づいて、最適な研磨圧力を決定することができ、結果として、目標とする膜厚プロファイルを達成することができる。

上述したウェーハ検知センサ（基板検知センサ）８は、ウェーハＷの存在を検知できるものであれば特に限定されない。一実施形態では、ウェーハ検知センサ８は、光学式膜厚センサ、渦電流センサなどの膜厚センサであってもよい。以下、ウェーハ検知センサ８として膜厚センサを用いた場合の、ウェーハ検知のメカニズムについて図１５を参照して説明する。

図１５は、膜厚センサからなるウェーハ検知センサ８が、ウェーハＷを検知するメカニズムを説明する模式図である。ウェーハ検知センサ８は、膜厚信号を予め設定された周期で（例えば、０．５ｍｓ周期で）生成するように構成される。ウェーハＷがウェーハ検知センサ８の上方に存在するとき、ウェーハ検知センサ８は、ウェーハＷの存在に起因したある程度の大きさの膜厚信号を生成する。一方で、ウェーハＷがウェーハ検知センサ８の上方にないとき、ウェーハ検知センサ８は上記予め設定された周期で膜厚信号を生成するが、その膜厚信号は極めて小さい。つまり、ウェーハＷがウェーハ検知センサ８の上方に存在するときにウェーハ検知センサ８が生成した膜厚信号は、ウェーハ検知信号（基板検知信号）として使用することができる。一例では、ウェーハ検知センサ８は、しきい値以上の大きさの膜厚信号をウェーハ検知信号として出力する。ウェーハ検知信号としての膜厚信号は、膜厚センサ７が生成した膜厚信号とともに、ウェーハＷの目標の膜厚プロファイルを達成するための研磨圧力の制御に使用されてもよい。

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。

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 膜厚センサ
８ ウェーハ検知センサ（基板検知センサ）
９ コンピュータ
９Ａ データ処理部
９Ｂ 動作制御部
９Ｃ センサ制御部
１１ 研磨ヘッドシャフト
１５ ヘッドアーム
１９ テーブル回転位置検出器
２０ センサターゲット
２１ 近接センサ
２３ モータドライバ
２５ 膜厚センサ
３１ ヘッド本体
３２ リテーナリング
３４ メンブレン（弾性膜）
３６ メンブレン（ローリングダイヤフラム）
４０ ロータリージョイント
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５ 圧力室
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５ 気体移送ライン
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５ 圧力レギュレータ

Claims (13)

1. 基板検知センサおよび膜厚センサが内部に配置された研磨テーブルを回転させ、
   リテーナリングを備えた研磨ヘッドにより基板を前記研磨テーブル上の研磨パッドに押し付けて該基板を研磨し、
   前記基板の研磨中に、前記基板検知センサおよび前記膜厚センサが前記基板の表面を横切りながら、前記基板検知センサが基板検知信号を予め設定された周期で生成し、かつ前記膜厚センサが所定の測定点で膜厚信号を生成し、
   前記基板検知信号の数から、前記研磨ヘッドの中心に対する前記基板の中心の偏心角度を算出し、
   前記偏心角度に基づいて、前記所定の測定点の位置を補正し、
   前記所定の測定点の補正された位置と、前記膜厚信号とに基づいて、前記研磨ヘッドが前記基板を押し付ける研磨圧力を制御することを特徴とする研磨方法。
2. 前記研磨テーブルの中心から前記基板検知センサまでの距離は、前記研磨テーブルの中心から前記膜厚センサまでの距離よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
3. 前記基板の研磨中に、前記基板検知センサは前記基板のエッジ部を横切り、前記膜厚センサは前記エッジ部および該エッジ部の内側の領域を横切ることを特徴とする請求項２に記載の研磨方法。
4. 前記偏心角度に基づいて、前記所定の測定点の位置を補正する工程は、
   前記基板の直径と前記リテーナリングの内径との差を２で割った数値と、前記偏心角度から、座標補正値を算出し、
   前記座標補正値に基づいて、前記所定の測定点の位置を補正する工程であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨方法。
5. 前記基板検知センサは膜厚センサであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の研磨方法。
6. 前記基板検知センサは、光学式膜厚センサであることを特徴とする請求項５に記載の研磨方法。
7. 前記基板検知センサは、渦電流センサであることを特徴とする請求項５に記載の研磨方法。
8. 研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、
   基板を前記研磨パッドに押し付けて前記基板を研磨する研磨ヘッドと、
   前記研磨テーブルに設置され、膜厚信号を所定の測定点で生成する膜厚センサと、
   前記研磨テーブルに設置され、基板検知信号を予め設定された周期で生成する基板検知センサと、
   前記基板検知信号の数から、前記研磨ヘッドの中心に対する前記基板の中心の偏心角度を算出し、前記偏心角度に基づいて、前記所定の測定点の位置を補正し、前記所定の測定点の補正された位置と、前記膜厚信号とに基づいて、前記研磨ヘッドが前記基板を押し付ける研磨圧力の目標値を決定するデータ処理部と、
   前記研磨圧力の目標値に基づいて、前記研磨ヘッドが前記基板を押し付ける研磨圧力を制御する動作制御部を備えたことを特徴とする研磨装置。
9. 前記研磨テーブルの中心から前記基板検知センサまでの距離は、前記研磨テーブルの中心から前記膜厚センサまでの距離よりも短いことを特徴とする請求項８に記載の研磨装置。
10. 前記データ処理部は、
    前記基板の直径と前記リテーナリングの内径との差を２で割った数値と、前記偏心角度から、座標補正値を算出し、
    前記座標補正値に基づいて、前記所定の測定点の位置を補正するように構成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の研磨装置。
11. 前記基板検知センサは膜厚センサであることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の研磨装置。
12. 前記基板検知センサは、光学式膜厚センサであることを特徴とする請求項１１に記載の研磨装置。
13. 前記基板検知センサは、渦電流センサであることを特徴とする請求項１１に記載の研磨装置。

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